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白光LED發(fā)光的方式主要按使用LED發(fā)光二極管的使用數(shù)量可以分為單晶型和多晶型兩種類型。

一種是多晶型,即使用兩個或兩個以上的互補的2色LED發(fā)光二極管或把3原色LED發(fā)光二極管做混合光而形成白光。采用多晶型的產(chǎn)生白光的方式,因為不同的色彩的LED發(fā)光二極管的驅(qū)動電壓、發(fā)光輸出、溫度特性及壽命各不相同,因此在使用多晶型LED發(fā)光二極管的方式產(chǎn)生白光,比單晶型LED產(chǎn)生白光的方式復(fù)雜,也因LED發(fā)光二極管的數(shù)量多,也使得多晶型LED的成本亦較高;若采用單晶型,則只要用一種單色LED發(fā)光二極管元素即可,而且在驅(qū)動電路上的設(shè)計會較為容易。

另一種是單晶型,即一只單色的LED發(fā)光二極管加上相應(yīng)的熒光粉,就如同日光燈的發(fā)光方式一樣,采用LED發(fā)光二極管激發(fā)熒光粉發(fā)光。通常采用兩種方式,一種方式是藍(lán)光LED發(fā)光二極管激發(fā)黃色熒光粉產(chǎn)生白光,另一種方式是紫外光LED激發(fā)RGB三波長熒光粉來產(chǎn)生白光。許多廠商主要從事白光LED的研究,通常都先從藍(lán)光LED開始研發(fā)及量產(chǎn),有了藍(lán)光LED的技術(shù)之后再開始研發(fā)白光LED,然而最常用藍(lán)光LED激發(fā)黃色熒光粉來產(chǎn)生白光,但是用藍(lán)光LED來發(fā)白光的方式的發(fā)光效率仍然不足,許多廠商開始向另外一個方向就是往紫外光LED來發(fā)展,利用紫外光LED加RGB三波長熒光粉來達(dá)到白光的效果,其發(fā)光效率比藍(lán)光好上許多。而紫外光LED加RGB三波長熒光粉的方法,則關(guān)鍵技術(shù)在高效率的熒光體合成法,也就是如何把熒光粉有效的附著在晶粒上的一項技術(shù)。

晶片

從實驗的結(jié)果來看,晶片對光衰的影響分為兩大類:第一是晶片的材質(zhì)不同導(dǎo)致衰減不同,常用的藍(lán)光晶片襯底材質(zhì)為碳化硅和藍(lán)寶石,碳化硅一般結(jié)構(gòu)設(shè)計為單電極,其導(dǎo)熱效果比較好,藍(lán)寶石一般設(shè)計為雙電極,熱量較難導(dǎo)出,導(dǎo)熱效果較差;第二是晶片的尺寸大小,在晶片材質(zhì)相同時,尺寸大小不同衰減差距也不同。

固晶

在白光LED封裝行業(yè)中通常用到的固晶膠有環(huán)氧樹脂絕緣膠、硅樹脂絕緣膠、銀膠。三者各有利弊,在選用時要綜合考慮。環(huán)氧樹脂絕緣膠導(dǎo)熱性差,但亮度高;硅樹脂絕緣膠導(dǎo)熱效果比環(huán)氧樹脂稍好,亮度高,但由于硅成分占一定比例,固晶片時旁邊殘留的硅樹脂與熒光膠里的環(huán)氧樹脂相結(jié)合時會產(chǎn)生隔層現(xiàn)象,經(jīng)過冷熱沖擊后將產(chǎn)生剝離導(dǎo)致死燈;銀膠的導(dǎo)熱性比前兩者都好,可以延長LED芯片的壽命,但銀膠對光的吸收比較大,導(dǎo)致亮度低。對于雙電極藍(lán)光晶片在用銀膠固晶時,對膠量的控制也很嚴(yán)格,否則容易產(chǎn)生短路,直接影響到產(chǎn)品的良品率。

熒光粉

實現(xiàn)白光LED的途徑有多種,使用最為普遍最成熟的一種是通過在藍(lán)光晶片上涂抹一層黃色熒光粉,使藍(lán)光和黃光混合成白光,所以熒光粉的材質(zhì)對白光LED的衰減影響很大。市場最主流的熒光粉是YAG釔鋁石榴石熒光粉、硅酸鹽熒光粉、氮化物熒光粉,與藍(lán)光LED芯片相比熒光粉有加速老化白光LED的作用,而且不同廠商的熒光粉對光衰的影響程度也不相同,這與熒光粉的原材料成分關(guān)系密切。

熒光膠水

傳統(tǒng)封裝的白光LED,熒光膠一般采用環(huán)氧樹脂或硅膠,經(jīng)過光衰實驗的結(jié)果得出,用硅膠配粉的白光LED壽命明顯比環(huán)氧樹脂的長。原因之一是用以上兩種方法封裝成成品LED,硅膠比環(huán)氧樹脂抗UV能力強且硅膠散熱效果比環(huán)氧樹脂好;但在相同條件下,用硅膠配粉的初始亮度要比環(huán)氧樹脂配粉的要低,最主要是由于硅膠的折射率(1.3-1.4)比環(huán)氧樹脂(1.5以上)低,所以初始光效不及環(huán)氧樹脂高。

支架

LED支架主要有銅支架和鐵支架。銅支架導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能好,價格高。而鐵支架的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能相對較差,更容易生銹,但價格便宜。市場上的LED大部分使用鐵支架。不同材料的支架對LED的性能影響也不同,特別是對光衰的影響尤為突出。這主要是由于銅的導(dǎo)熱性能比鐵的好很多,銅的導(dǎo)熱系數(shù)398W(m.k),而鐵的導(dǎo)熱系數(shù)只有50W(m.k)左右,僅為前者的1/8,還有支架的電鍍層厚度也密切相關(guān)。在選用支架時,還要注意支架的碗杯大小是否與發(fā)光芯片以及模粒匹配,其匹配質(zhì)量的優(yōu)劣,直接影響白光LED的光學(xué)效果,否則容易造成光斑形狀不對稱、有黃圈,以及黑斑等,直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量。

眾所周知,可見光光譜的波長范圍為380nm~760nm,是人眼可感受到的七色光——紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫,但這七種顏色的光都各自是一種單色光。例如LED發(fā)的紅光的峰值波長為565nm。在可見光的光譜中是沒有白色光的,因為白光不是單色光,而是由多種單色光合成的復(fù)合光,正如太陽光是由七種單色光合成的白色光,而彩色電視機中的白色光也是由三基色紅、綠、藍(lán)合成。由此可見,要使LED發(fā)出白光,它的光譜特性應(yīng)包括整個可見的光譜范圍。但要制造這種性能的LED,工藝條件下是不可能的。根據(jù)人們對可見光的研究,人眼睛所能見的白光,至少需兩種光的混合,即二波長發(fā)光(藍(lán)色光+黃色光)或三波長發(fā)光(藍(lán)色光+綠色光+紅色光)的模式。上述兩種模式的白光,都需要藍(lán)色光,所以攝取藍(lán)色光已成為制造白光的關(guān)鍵技術(shù),即當(dāng)前各大LED制造公司追逐的"藍(lán)光技術(shù)"。國際上掌握"藍(lán)光技術(shù)"的廠商僅有少數(shù)幾家,所以白光LED的推廣應(yīng)用,尤其是高亮度白光LED在我國的推廣還有一個過程。

對于一般照明,在工藝結(jié)構(gòu)上,白光LED通常采用兩種方法形成,第一種是利用"藍(lán)光技術(shù)"與熒光粉配合形成白光;第二種是多種單色光混合方法。這兩種方法都已能成功產(chǎn)生白光器件。

白光LED照明新光源的應(yīng)用前景。 為了說明白光LED的特點,先看看所用的照明燈光源的狀況。白熾燈和鹵鎢燈,其光效為12~24流明/瓦;熒光燈和HID燈的光效為50~120流明/瓦。對白光LED:在1998年,白光LED的光效只有5流明/瓦,到了1999年已達(dá)到15流明/瓦,這一指標(biāo)與一般家用白熾燈相近,而在2000年時,白光LED的光效已達(dá)25流明/瓦,這一指標(biāo)與鹵鎢燈相近。2012年,白光LED的光效已達(dá)120流明/瓦,白光LED作家用照明光源開始推廣普及。預(yù)計到2020年時,LED的光效可望達(dá)到200流明/瓦。

普通照明用的白熾燈和鹵鎢燈雖價格便宜,但光效低(燈的熱效應(yīng)白白耗電),壽命短,維護工作量大,但若用白光LED作照明,不僅光效高,而且壽命長(連續(xù)工作時間10000小時以上),幾乎無需維護。德國Hella公司利用白光LED開發(fā)了飛機閱讀燈;澳大利亞首都堪培拉的一條街道已用了白光LED作路燈照明;我國的城市交通管理燈也正用白光LED取代早期的交通秩序指示燈。可以預(yù)見不久的將來,白光LED定會進入家庭取代現(xiàn)有的照明燈。

LED光源具有使用低壓電源、耗能少、適用性強、穩(wěn)定性高、響應(yīng)時間短、對環(huán)境無污染、多色發(fā)光等的優(yōu)點,雖然價格較現(xiàn)有照明器材昂貴,仍被認(rèn)為是它將不可避免地現(xiàn)有照明器件。

高功率白光LED散熱與壽命問題改善設(shè)計

高功率白光LED應(yīng)用于日常照明用途,其實在環(huán)保光源日益受到重視后,已經(jīng)成為開發(fā)環(huán)保光源的首要選擇。但實際上白光LED仍有許多技術(shù)上的瓶頸尚待克服,已有相關(guān)改善方案,用以強化白光LED在發(fā)光均勻性、封裝材料壽命、散熱強化等各方面設(shè)計瓶頸,進行重點功能與效能之改善。

環(huán)保光源需求增加 高功率白光LED應(yīng)用出線

LED光源受到青睞的主因,不外乎產(chǎn)品壽命長、光電轉(zhuǎn)換效率高、材料特性可在任意平面進行嵌裝等特性。但在發(fā)展日常照明光源方面,由于需達(dá)到實用的"照明"需求,原以指示用途的LED就無法直接對應(yīng)照明應(yīng)用,必須從芯片、封裝、載板、制作技術(shù)與外部電路各方面進行強化,才能達(dá)到照明用途所需的高功率、高亮度照明效用。

就市場需求層面觀察,針對照明應(yīng)用市場開發(fā)的白光LED,可以說是未來用量較高的產(chǎn)品項目,但為達(dá)到使用效用,白光LED必須針對照明應(yīng)用進行重點功能改善。其一是針對LED芯片進行強化,例如,增加其光-電轉(zhuǎn)換效率,或是加大芯片面積,讓單個LED的發(fā)光量(光通量)達(dá)到其設(shè)計極限。其二,屬于較折衷的設(shè)計方案,若在持續(xù)加大單片LED芯片面積較困難的前提下,改用多片LED芯片封裝在同一個光源模組,也是可以達(dá)到接近前述方法的實用技術(shù)方案。

以多芯片封裝滿足低成本、高亮度設(shè)計要求

就產(chǎn)業(yè)實務(wù)需求檢視,礙于量產(chǎn)彈性、設(shè)計難度與控制產(chǎn)品良率/成本問題,LED芯片持續(xù)加大會碰到成本與良率的設(shè)計瓶頸。一昧的加大芯片面積可能會碰到的設(shè)計困難,并非技術(shù)上與生產(chǎn)技術(shù)辦不到,而是在成本與效益考量上,大面積之LED芯片成本較高,而且對于實際制造需求的變更設(shè)計彈性較低。

反而是利用多片芯片的整合封裝方式,讓多片LED小芯片在載板上的等距排列,利用打線連接各芯片、搭配光學(xué)封裝材料的整體封裝,形成一光源模組產(chǎn)品,而多片封裝可以在進行芯片測試后,利用二次加工整合成一個等效大芯片的光源模組,但卻在制作彈性上較單片設(shè)計LED光源用元件要更具彈性。

同時,多片之LED芯片模組解決方案,其生產(chǎn)成本也可因為芯片成本而大幅降低,等于在獲得單片式設(shè)計方案同等光通量下,擁有成本更低的開發(fā)選項。

多芯片整合光源模組 仍需考量成本效益最大化

另一個發(fā)展方向,是將LED芯片面積持續(xù)增大,透過大面積獲得高亮度、高光通量輸出效果。但過大的LED芯片面積也會出現(xiàn)不如設(shè)計預(yù)期之問題,常見的改進方案為修改復(fù)晶的結(jié)構(gòu),在芯片表面進行制作改善;但相關(guān)改善方案也容易影響芯片本身的散熱效率,尤其在光源應(yīng)用的led模組,大多要求在高功率下驅(qū)動以獲得更高的光通量,這會造成芯片進行發(fā)光過程中芯片接面所匯集的高熱不容易消散,影響模組產(chǎn)品的應(yīng)用彈性與主/被動散熱設(shè)計方案。

一般設(shè)計方案中,據(jù)分析采行7mm2的芯片尺寸,其發(fā)光效率為最佳,但7mm2大型芯片在良率與光表現(xiàn)控制較不易,成本也相對較高;反而使用多片式芯片,如4片或8片小功率芯片,進行二次加工于載板搭配封裝材料形成一LED光源模組,是較能快速開發(fā)所需亮度、功率表現(xiàn)之LED光源模組產(chǎn)品的設(shè)計方案。

例如PhiliPS、OSRAM、CREE等光源產(chǎn)品制造商,就推出整合4、8片或更多小型LED芯片封裝之LED光源模組產(chǎn)品。但這類利用多片LED芯片架構(gòu)的高亮度元件方案也引起了一些設(shè)計問題,例如:多顆LED芯片組合封裝即必須搭配內(nèi)置絕緣材料,用以避免各別LED芯片短路現(xiàn)象;這樣的制程相對于單片式設(shè)計多了許多程序,因此即使能較單片式方案節(jié)省成本,也會因額外絕緣材料制程而縮小了兩種方案的成本差距。

應(yīng)用芯片表面制程改善 也可強化LED光輸出量

除了增加芯片面積或數(shù)量是最直接的方法外,也有另一種針對芯片本身材料特性的發(fā)光效能改善。例如,可在LED藍(lán)寶石基板上制作不平坦的表面結(jié)構(gòu),利用此一凹凸不規(guī)則之設(shè)計表面強化LED光輸出量,即為在芯片表面建立Texture表面結(jié)晶架構(gòu)。

OSRAM即有利用此方案開發(fā)Thin GaN高亮度產(chǎn)品,于InGaN層先行形成金屬膜材質(zhì)、再進行剝離制程,使剝離后的表面可間接獲得更高的光輸出量!OSRAM號稱此技術(shù)可以讓相同的芯片獲得75%光取出效率。

另一方面,日本OMRON的開發(fā)思維就相當(dāng)不同,一樣是致力榨出芯片的光取出效率,OMRON即嘗試?yán)�用平面光源技術(shù),搭配LENS光學(xué)系統(tǒng)為芯片光源進行反射、引導(dǎo)與控制,針對傳統(tǒng)炮彈型封裝結(jié)構(gòu)的LED產(chǎn)品常見的光損失問題,進一步改善其設(shè)計結(jié)構(gòu),利用雙層反射效果進而控制與強化LED的光取出量,但這種封裝技術(shù)相對更為復(fù)雜、成本高,因此大多僅用于LCD TV背光模組設(shè)計。

LED照明應(yīng)用仍須改善元件光衰與壽命問題

如果期待LED光源導(dǎo)入日常照明應(yīng)用,其應(yīng)用需克服的問題就會更多!因為日常照明光源會有長時間使用之情境,往往一開啟就連續(xù)用上數(shù)個小時、甚至數(shù)十小時,那長時間開啟的LED將會因為元件的高熱造成芯片的發(fā)光衰減、壽命降低現(xiàn)象,元件必須針對熱處理提出更好的方案,以便于減緩光衰問題過早發(fā)生,影響產(chǎn)品使用體驗。

LED光源導(dǎo)入日常應(yīng)用的另一大問題是,如傳統(tǒng)使用的螢光燈具,使用超過數(shù)十小時均可維持相同的發(fā)光效率,但LED就不同了。因為LED發(fā)光芯片會因為元件高熱而導(dǎo)致其發(fā)光效率遞減,且此一問題不管在高功率或低功率LED皆然,只是低功率LED多僅用于指示性用途,對使用者來說影響相當(dāng)小;但若LED作為光源使用,其光輸出遞減問題會在為提高亮度而加強單顆元件的驅(qū)動功率下越形加劇,一般會在使用過幾小時后出現(xiàn)亮度下滑,必須進行散熱設(shè)計改善才能達(dá)到光源應(yīng)用需求。

LED封裝材料需因應(yīng)高溫、短波長光線進行改善

在光源設(shè)計方案中,往往會利用增加驅(qū)動電流來換取LED芯片更高的光輸出量,但這會讓芯片表面在發(fā)光過程產(chǎn)生的熱度持續(xù)增高,而芯片的高溫考驗封裝材料的耐用度,連續(xù)運行高溫的狀態(tài)下會致使原具備高熱耐用度的封裝材料出現(xiàn)劣化,且材料劣化或質(zhì)變也會進一步造成透光度下滑,因此在開發(fā)LED光源模組時,亦必須針對封裝材料考量改用高抗熱材質(zhì)。

增加LED光源模組元件散熱方法相當(dāng)多,可以從芯片、封裝材料、模組之導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)、PCB載板設(shè)計等進行重點改善。例如,芯片到封裝材料之間,若能強化散熱傳導(dǎo)速度,快速將核心熱源透過封裝材料表面逸散也是一種方法�；蚴怯尚酒�與載板間的接觸,直接將芯片核心高熱透過材料的直接傳導(dǎo)熱源至載板逸散,進行LED芯片高熱的重點改善。此外,PCB采行金屬材料搭配與LED芯片緊貼組裝設(shè)計,也可因為減少熱傳導(dǎo)的熱阻,達(dá)到快速散逸發(fā)光元件核心高熱的設(shè)計目標(biāo)。

另在封裝材料方面,以往LED元件多數(shù)采環(huán)氧樹脂進行封裝,其實環(huán)氧樹脂本身的耐熱性并不高,往往LED芯片還在使用壽命未結(jié)束前,環(huán)氧樹脂就已經(jīng)因為長時間高熱運行而出現(xiàn)劣化、變質(zhì)的變色現(xiàn)象,這種狀況在照明應(yīng)用的LED模組設(shè)計中,會因為芯片高功率驅(qū)動而使封裝材料劣化的速度加快,甚至影響元件的安全性。

不只是高熱問題,環(huán)氧樹脂這類塑料材質(zhì),對于光的敏感度較高,尤其是短波長的光會讓環(huán)氧樹脂材料出現(xiàn)破壞現(xiàn)象,而高功率的LED光源模組,其短波長光線會更多,對材料惡化速度也會有加劇現(xiàn)象。

針對LED光源應(yīng)用設(shè)計方案,多數(shù)業(yè)者大多傾向放棄環(huán)氧樹脂封裝材料,改用更耐高溫、抗短波長光線的封裝材料,例如矽樹脂即具備較環(huán)氧樹脂更高的抗熱性,且在材料特性方面,矽樹脂可達(dá)到處于150~180°C環(huán)境下仍不會變色的材料優(yōu)勢。

此外,矽樹脂亦可分散藍(lán)色光與紫外線,矽樹脂可以抑制封裝材料因高熱或短波長光線的材料劣化問題,減緩封裝材料因為變質(zhì)而導(dǎo)致透光率下滑問題。而就LED光源模組來說,矽樹脂也有延長LED元件使用壽命優(yōu)點,因為矽樹脂本身抗高熱與抗短波長光線優(yōu)點,在封裝材料可抵御LED長時間使用產(chǎn)生的持續(xù)高熱與光線照射,材料的壽命相對長許多,也可讓LED元件有超過4萬小時的使用壽命。

光效

LED自上世紀(jì)60年代誕生以來,以每10年亮度提高30倍,價格下降10倍的"海茲定律"般的速度發(fā)展。其理論光效達(dá)到260LM/W。據(jù)報道,白光LED光效的實驗室數(shù)據(jù)已超過100lm/W,而進入商業(yè)領(lǐng)域的大功率白光LED也達(dá)到40lm/W。隨著關(guān)鍵技術(shù)的突破,未來大功率LED的光效仍具有很大的上升空間,最高有可能達(dá)到150~200lm/W。

光通量

隨著大功率LED的面世和封裝、散熱等關(guān)鍵技術(shù)的突破,5WLED的商業(yè)化進程已初具規(guī)模,這使LED模塊的光通量得到很大提高。來自日亞公司最新的研究數(shù)據(jù)表明,功率分別為5.5W和11W,光通量分別為250lm和400lm的大功率LED集成模塊已經(jīng)研制成功。這使LED用于普通照明的進程又向前邁進了一大步。

色溫和顯色性

白光LED的色溫和顯色性與白光LED的制備方案密切相關(guān)。1996年日亞公司首先采用InGaN藍(lán)光芯片加YAG(釔鋁石榴石)熒光粉的方法制成白光LED。 此后,人們又采用R、G、B三色芯片混光和近紫外芯片激發(fā)R、G、B三色熒光粉混光制成了白光LED。

采用藍(lán)光LED加YAG熒光粉的方式因其工藝較為簡單,技術(shù)成本較低,是制備白光LED最常用的方式,但其顯色指數(shù)也相對較低。添加一定的紅光熒光粉和綠光熒光粉雖能提高顯色指數(shù),但由于紅光熒光粉的相對轉(zhuǎn)化率較低,通常會引起總體光通量的衰減,即光效的下降。采用近紫外的LED加RGB三基色熒光粉理論上可以獲得任意色溫及較高顯色指數(shù)的白光LED,但用于紫外LED熒光粉的技術(shù)尚未成熟。單芯片涂熒光粉的方法根據(jù)熒光粉的涂敷技術(shù)的不同,通常具有80~800K的色溫差異。多芯片的LED理論上可以獲得任意色溫和高顯色性的白光LED,但由于多芯片LED的正向電壓和光輸出不同,另外它們的溫度特性和光維持特性也不相同,因而對電路設(shè)計的要求較高,技術(shù)還不成熟,模塊間色溫差異較大。