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  • 解析大功率白光LED散熱與壽命問題

    作者:佚名 來源:網(wǎng)絡 時間:2012-10-31 16:37 閱讀:2129 [投稿]
    目前已有相關(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計瓶頸,進行重點功能與效能之改善。
      OSRAM即有利用此方案開發(fā)ThinGaN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)思維就相當不同,一樣是致力榨出芯片的光取出效率,OMRON即嘗試利用平面光源技術(shù),搭配LENS光學系統(tǒng)為芯片光源進行反射、引導與控制,針對傳統(tǒng)砲彈型封裝結(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)相對更為復雜、成本高,因此大多僅用于LCDTV背光模組設計。
      LED照明應用仍須改善元件光衰與壽命問題
      如果期待LED光源導入日常照明應用,其應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光源導入日常應用的另一大問題是,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致其發(fā)光效率遞減,且此一問題不管在大功率或低功率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;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,必須進行散熱設計改善才能達到光源應用需求。
      LED封裝材料需因應高溫、短波長光線進行改善
      在光源設計方案中,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多,可以從芯片、封裝材料、模組之導熱結(jié)構(gòu)、PCB載板設計等進行重點改善。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c載板間的接觸,直接將芯片核心高熱透過材料的直接傳導熱源至載板逸散,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芯片緊貼組裝設計,也可因為減少熱傳導的熱阻,達到快速散逸發(fā)光元件核心高熱的設計目標。
      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,這種狀況在照明應用的LED模組設計中,會因為芯片大功率驅(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,而大功率的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光源應用設計方案,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。
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