今天，白光 LED 仍舊存在著發(fā)光均勻性不佳、封閉材料的壽命不長等問題，無法發(fā)揮白光 LED 被期待的應用優(yōu)點。但就需求層面來看，不僅一般的照明用途，隨著手機、 LCD TV、汽車、醫(yī)療等的廣泛應用，使得最合適開發(fā)穩(wěn)定白光 LED 的技術研究成果就廣泛的被關注。
改善白光 LED 的發(fā)光效率，目前有兩大方向，一是提高 LED 芯片的面積，藉此增加發(fā)光量。二是把幾個小型芯片一起封裝在同一個模塊下。
藉由提高芯片面積來增加發(fā)光量
雖然，將 LED 芯片的面積予以大型化，藉此能夠獲得高得多的亮度，但因過大的面積，在應用過程和結果上也會出現(xiàn)適得其反的現(xiàn)象。所以，針對這樣的問題，部分 LED 業(yè)者就根據(jù)電極構造的改進和覆晶的構造，在芯片表面進行改良，來達到 50lm/W 的發(fā)光效率。例如在白光 LED 覆晶封裝的部分，由于發(fā)光層很接近封裝的附近，發(fā)光層的光向外部散出時，電極不會被遮蔽，但缺點就是所產(chǎn)生的熱不容易消散。并非進行芯片表面改善后，再加上增加芯片面積就絕對可以迅速提升亮度，因為當光從芯片內(nèi)部向外擴散射時，芯片中這些改善的部分無法進行反射，所以在取光上會受到一點限制，根據(jù)計算，最佳發(fā)揮光效率的 LED 芯片尺寸是在 7mm2 左右。
利用封裝數(shù)個小面積 LED 芯片快速提高發(fā)光效率
和大面積 LED 芯片相比，利用小功率 LED 芯片封裝成同一個模塊，這樣是能夠較快達到高亮度的要求，例如，Citizen 就將 8 個小型 LED 封裝在一起，讓模塊的發(fā)光效率達到了 60lm/W，堪稱是業(yè)界的首例。
但這樣的做法也引發(fā)的一些疑慮，因為是將多顆 LED 封裝在同一個模塊上，必須置入一些絕緣材料，以免造成 LED 芯片間的短路情況發(fā)生，如此一來就會增加了不少的成本。
對此 Citizen 的解釋是：“對于成本的影響幅度是相當小的，因為相較于整體的成本比例，這些絕緣材料僅不到百分之一，并可以利用現(xiàn)有的材料來做絕緣應用，這些絕緣材料不需要重新開發(fā)，也不需要增加新的設備來因應?！?nbsp;
雖然 Citizen 的解釋理論上是合理的，但是，對于無經(jīng)驗的業(yè)者來說，這就是一項挑戰(zhàn)，因為無論在良率、研發(fā)、生產(chǎn)工程上都是需要予以克服的。還有其它方式可達到提高發(fā)光效率的目標，許多業(yè)者發(fā)現(xiàn)，在 LED 藍寶石基板上制作出凹凸不平坦的結構，這樣或許可以提高光輸出量，所以，有逐漸朝向在芯片表面建立 Texture 或 Photonics 結晶的架構。例如德國的 OSRAM 就是以這樣的架構開發(fā)出“Thin GaN”高亮度 LED。原理是在 InGaN 層上形成金屬膜，之后再剝離藍寶石，這樣，金屬膜就會產(chǎn)生映像的效果而獲得更多的光線取出，根據(jù) OSRAM 的資料顯示，這樣的結構可以獲得 75％的光取出效率。
除了芯片的光取出方面需要做努力外，因為期望能夠獲得更高的光效率，在封裝的部分也是必須做一些改善。事實上，每多增加一道的工程都會對光取出效率帶來一些影響，不過，這并不代表著，因為封裝的制程就一定會增加更高的光損失，就像日本 OMROM 所開發(fā)的平面光源技術，就能夠大幅度的提升光取出效率，這樣的結構是將 LED 所射出的光線，利用 LENS 光學系統(tǒng)以及反射光學系統(tǒng)來做控制的，所以 OMROM 稱之為“Double reflection ”。利用這樣的結構，可將傳統(tǒng)炮彈型封裝等的 LED 所造成的光損失，針對封裝的廣角度反射來獲得更高的光效率，更進一步的是，在表面所形成的 Mesh 上進行加工，而形成雙層的反射效果，這樣的方式可以得到不錯的光取出效率控制的。因為這樣特殊的設計，利用反射效果達到高光取出效率的 LED，主要的用途是針對 LCD TV 背光所應用的。
封裝材料和熒光材料的重要性增加
如果期望用來作為 LCD TV 背光應用的話，那幺需要克服的問題就會更多了。因為 LCD TV 的連續(xù)使用時間都是長達數(shù)個小時，甚至 10 幾個小時，所以，由于這樣長時間的使用情況下，拿來作為背光的白光 LED 就必須擁有不會因為連續(xù)使用而產(chǎn)生亮度衰減的情況。
目前已發(fā)表的高功率的白光 LED，它的發(fā)光功率是一個低功率白光 LED 亮度的數(shù)十 倍，所以期望利用高功率白光 LED 來代替熒光燈作為照明設備的話，有一個必須克服的困難就是亮度遞減的情況。例如，白光 LED 長時間連續(xù)使用 1W 的情況下，會造成連續(xù)使用后半段時間的亮度逐漸降低的現(xiàn)象，不是只有高功率白光 LED 才會出現(xiàn)這樣的情況，低功率白光 LED 也會存在這樣的問題，只不過是因為低功率白光應用的產(chǎn)品不同，所以，并不會因此特別突顯出這樣的困擾。
使用的電流愈大，所獲得的亮度就愈高，這是一般對于 LED 能夠達到高亮度的觀念，不過，因為所使用的電流增加，因此封裝材料是否能夠承受這樣長時間的因為電流所產(chǎn)生的熱，也因為這樣的連續(xù)使用，往往封裝材料的熱抵抗會降到 10k/w 以下。
高功率 LED 的發(fā)熱量是低功率 LED 的數(shù)十倍，因此，會出現(xiàn)隨著溫度上升，而出現(xiàn)發(fā)光功率降低的問題，所以在能夠抗熱性高封裝材料的開發(fā)上，相對顯的非常重要。
或許在 20～30lm/W 以下的 LED，這些問題都不明顯，但是，一旦面臨 60lm/w 以上的高發(fā)光功率 LED 的時候，就需要想辦法解決的。熱效應所帶來的影響，絕對不會僅僅只有 LED 本身，而是會對整個應用產(chǎn)品帶來困擾，所以，LED 如果能夠在這一方面獲得解決的話，那幺，也可以減輕應用產(chǎn)品本身的散熱負擔。因此，在面對不斷提高電流情況的同時，如何增加抗熱能力，也是現(xiàn)階段的急待被克服的問題。從各方面來看，除了材料本身的問題外，還包括從芯片到封裝材料間的抗熱性、導熱結構及封裝材料到 PCB 板間的抗熱性、導熱結構和 PCB 板的散熱結構等，這些都需要作整體性的考量。例如，即使能夠解決從芯片到封裝材料間的抗熱性，但因從封裝到 PCB 板的散熱效果不好的話，同樣也是造成 LED 芯片溫度的上升，出現(xiàn)發(fā)光效率下降的現(xiàn)象。所以，就像是松下就為了解決這樣的問題，從 2005 年開始，便把包括圓形、線形、面型的白光 LED，與 PCB 基板設計成一體，來克服可能因為出現(xiàn)在從封裝到 PCB 板間散熱中斷的問題。但并非所有的業(yè)者都像松下一樣，因為各業(yè)者的策略關系，有的業(yè)者以基板設計的簡便為目標，只針對 PCB 板的散熱結構進行改良。還有相當多的業(yè)者，因為本身不生產(chǎn) LED，所以只能在 PCB 板做一些研發(fā)，但僅此還是不夠的，所以需要選擇散熱性良好的白光 LED。能讓 PCB 板上用的金屬材料，能與白光 LED 封裝中的散熱槽緊密連接，達到散熱的能力。這樣看起來好象只是因為期望達到散熱，而把簡單的一件事情予以復雜化，到底這樣是不是符合成本和進步的概念？以今天的應用層面來說，很難做一個判斷，不過，是有一些業(yè)者正朝向這方面作考量，例如 Citizen 在 2004 年所發(fā)表的產(chǎn)品，就是能夠從封裝上厚度為 2～3mm 的散熱槽向外散熱，提供應用業(yè)者能夠因為使用了具有散熱槽的高功率白光 LED，能讓 PCB 板的散熱設計得以發(fā)揮。
封裝材料的改變使白光 LED 壽命達原先的 4 倍
發(fā)熱的問題不是只會對亮度表現(xiàn)帶來影響，同時也會對 LED 本身的壽命出現(xiàn)挑戰(zhàn)，所以在這一部份，LED 不斷的開發(fā)出封裝材料來因應持續(xù)提高中的 LED 亮度所產(chǎn)生的影響。
過去用來作為封裝材料的環(huán)氧樹脂，耐熱性比較差，可能會出現(xiàn)在 LED 芯片本身的壽命到達前，環(huán)氧樹脂就已經(jīng)出現(xiàn)變色的情況，因此，為了提高散熱性，必須讓更多的電流獲得釋放。除此之外，不僅因為熱現(xiàn)象會對環(huán)氧樹脂產(chǎn)生影響，甚至短波長也會對環(huán)氧樹脂造成一些問題，這是因為環(huán)氧樹脂相當容易被白光 LED 中的短波長光線破壞，即使低功率的白光 LED 就已經(jīng)會造成環(huán)氧樹脂的破壞，更何況高功率的白光 LED 所含的短波長的光線更多，惡化自然也加速，甚至有些產(chǎn)品在連續(xù)點亮后的使用壽命不到 5,000 小時。所以，與其不斷的克服因為舊有封裝材料－環(huán)氧樹脂所帶來的變色困擾，不如朝向開發(fā)新一代的封裝材料的選擇。目前在解決壽命這一方面的問題，許多 LED 封裝業(yè)者 都朝向放棄環(huán)氧樹脂，而改用了硅樹脂和陶瓷等作為封裝的材料。根據(jù)統(tǒng)計，因為改變了封裝材料，事實上可以提高 LED 的壽命。就資料上來看，代替環(huán)氧樹脂的封裝材料－硅樹脂，就具有較高的耐熱性，根據(jù)試驗，即使是在攝氏 150～180 度的高溫，也不會變 色的現(xiàn)象，看起來似乎是一個不錯的封裝材料。
硅樹脂能夠分散藍色和近紫外光，與環(huán)氧樹脂相比，硅樹脂可以抑制材料因為電流和短波長光線所帶來的劣化現(xiàn)象，緩和光穿透率下降的速度。以目前的應用來看，幾乎所有的高功率白光 LED 產(chǎn)品都已經(jīng)改用硅樹脂作為封裝的材料，例如，相對于波長 400 ～450nm 的光，環(huán)氧樹脂約在個位的數(shù)百分比左右，但硅樹脂對 400～450nm 的光線吸收卻不到百分之一，這樣的落差，使得在抗短波長方面，硅樹脂有著較出色的表現(xiàn)。
就壽命表現(xiàn)度而言，硅樹脂可以達到延長白光 LED 使用壽命的目標，甚至可以達到 4 萬小時以上的使用壽命。但是不是真的適合用來做照明的應用還有待研究，因為硅樹脂是具有彈性的柔軟材料，所以在封裝的過程中，需要特別注意應用的方式，從而設計出最適當?shù)膽眉夹g。
對于未來應用方面，提高白光 LED 的光輸出效率將會是決勝的關鍵點。白光 LED 的生產(chǎn)技術，從過去的藍色 LED 和黃色 YAG 熒光體的組合，開發(fā)出仿真白光，到利用三色混合或者使用 GaN 材料，開發(fā)出白光 LED，對于應用來說，已經(jīng)可以看的出將會朝向更廣泛的方向擴展。另外，白光 LED 的發(fā)光效率，已經(jīng)有了不錯的發(fā)展，日本 LED 照明推 進協(xié)會的目標是，期望能夠在 2009 年達到 100lm/w 的發(fā)光效率，所以預計在數(shù)年內(nèi)，100lm/w 發(fā)光效率就能夠?qū)嶋H上商業(yè)化應用。
日亞化學積極開發(fā)白光半導體雷射
在期望 LED 達到色純度較高的白光及高亮度的要求下，各業(yè)者不斷的從每一領域加以改善，而達到這一目標，但在進展速度上，看起來仍舊相當?shù)木徛?。因此部分業(yè)者開始考慮采用其它的技術，來實現(xiàn)目前業(yè)界對于類似白光 LED 的光亮度要求。在高亮度藍、白光 LED 領域的日亞化學，便將一部份的研發(fā)方向，朝向開發(fā)白光雷射做努力。
日亞化學利用與白光 LED 相同的 GaN 系材料制作半導體雷射，開發(fā)出了白光光源， 以目前的表現(xiàn)來說，輝度已經(jīng)能夠達到 10cd/mm 左右，現(xiàn)有的白光 LED 如果期望達到這個輝度值是相當困難的，即使增加電流期望亮度增加，但這樣將會使得接合點的溫度上升，所帶來的結果不僅會使整個發(fā)光效率降低外，還會浪費相當多的電量。
日亞化學所開發(fā)的白光半導體雷射，在芯片端不再使用熒光材料，而是將發(fā)光部分和白光產(chǎn)生的部分分開處理，利用 200mw 的藍紫色半導體雷射，發(fā)出 405nm 的波長光線，把藍色或藍紫色半導體雷射與光纖的面進行連接，讓白光從涂了熒光材料光纖的另一面發(fā)射出來，而所產(chǎn)生出來的白光直徑僅有 1.25mm，這個面積只有相同光量白光 LED 的 1/20，所需的功耗不到 0.1W，所以，在散熱部分也不需要太多考慮。
雖然看起來在特性的方面是相當?shù)牟诲e，不過還是有一些缺點的，在使用壽命上，只有 3,000 小時左右，價格太貴。雖然價格的問題花一點時間就可以下降一些，但是以現(xiàn)在 30 萬日圓的水準來看的，要降到 3,000 甚至 300 日元，可能需要 10 年以上的時間。
本文來源：互聯(lián)網(wǎng)
版權歸原作者所有，轉(zhuǎn)載僅供學習交流，如有不適請聯(lián)系我們，謝謝。
標簽： 點擊： 評論: