高功率白光LED散热问题的解决方案

今天，白光LED仍旧存在着发光均匀性不佳、封闭材料的寿命不长等问题，无法发挥白光LED被期待的应用优点。但就需求层面来看，不仅一般的照明用途，随着手机、LCD TV、汽车、医疗等的广泛应用，使得最合适开发稳定白光LED的技术研究成果就广泛的被关注。

改善白光LED的发光效率，目前有两大方向，一是提高LED芯片的面积，藉此增加发光量。二是把几个小型芯片一起封装在同一个模块下。

藉由提高芯片面积来增加发光量

虽然，将LED芯片的面积予以大型化，藉此能够获得高得多的亮度，但因过大的面积，在应用过程和结果上也会出现适得其反的现象。所以，针对这样的问题，部分LED业者就根据电极构造的改进和覆晶的构造，在芯片表面进行改良，来达到50lm/W的发光效率。例如在白光LED覆晶封装的部分，由于发光层很接近封装的附近，发光层的光向外部散出时，电极不会被遮蔽，但缺点就是所产生的热不容易消散。

并非进行芯片表面改善后，再加上增加芯片面积就绝对可以迅速提升亮度，因为当光从芯片内部向外扩散射时，芯片中这些改善的部分无法进行反射，所以在取光上会受到一点限制，根据计算，最佳发挥光效率的LED芯片尺寸是在7mm2左右。

利用封装数个小面积LED芯片快速提高发光效率

和大面积LED芯片相比，利用小功率LED芯片封装成同一个模块，这样是能够较快达到高亮度的要求，例如，Citizen就将8个小型LED封装在一起，让模块的发光效率达到了60lm/W，堪称是业界的首例。

但这样的做法也引发的一些疑虑，因为是将多颗LED封装在同一个模块上，必须置入一些绝缘材料，以免造成LED芯片间的短路情况发生，如此一来就会增加了不少的成本。

对此Citizen的解释是："对于成本的影响幅度是相当小的，因为相较于整体的成本比例，这些绝缘材料仅不到百分之一，并可以利用现有的材料来做绝缘应用，这些绝缘材料不需要重新开发，也不需要增加新的设备来因应。"

虽然Citizen的解释理论上是合理的，但是，对于无经验的业者来说，这就是一项挑战，因为无论在良率、研发、生产工程上都是需要予以克服的。还有其它方式可达到提高发光效率的目标，许多业者发现，在LED蓝宝石基板上制作出凹凸不平坦的结构，这样或许可以提高光输出量，所以，有逐渐朝向在芯片表面建立Texture或Photonics结晶的架构。例如德国的OSRAM就是以这样的架构开发出"Thin GaN"高亮度LED。原理是在InGaN层上形成金属膜，之后再剥离蓝宝石，这样，金属膜就会产生映像的效果而获得更多的光线取出，根据OSRAM的资料显示，这样的结构可以获得75％的光取出效率。

除了芯片的光取出方面需要做努力外，因为期望能够获得更高的光效率，在封装的部分也是必须做一些改善。事实上，每多增加一道的工程都会对光取出效率带来一些影响，不过，这并不代表着，因为封装的制程就一定会增加更高的光损失，就像日本OMROM所开发的平面光源技术，就能够大幅度的提升光取出效率，这样的结构是将LED所射出的光线，利用LENS光学系统以及反射光学系统来做控制的，所以OMROM称之为"Double reflection "。利用这样的结构，可将传统炮弹型封装等的LED所造成的光损失，针对封装的广角度反射来获得更高的光效率，更进一步的是，在表面所形成的Mesh上进行加工，而形成双层的反射效果，这样的方式可以得到不错的光取出效率控制的。因为这样特殊的设计，利用反射效果达到高光取出效率的LED，主要的用途是针对LCD TV背光所应用的。

封装材料和荧光材料的重要性增加

如果期望用来作为LCD TV背光应用的话，那幺需要克服的问题就会更多了。因为LCD TV的连续使用时间都是长达数个小时，甚至10几个小时，所以，由于这样长时间的使用情况下，拿来作为背光的白光LED就必须拥有不会因为连续使用而产生亮度衰减的情况。

目前已发表的高功率的白光LED，它的发光功率是一个低功率白光LED亮度的数十倍，所以期望利用高功率白光LED来代替荧光灯作为照明设备的话，有一个必须克服的困难就是亮度递减的情况。例如，白光LED长时间连续使用1W的情况下，会造成连续使用后半段时间的亮度逐渐降低的现象，不是只有高功率白光LED才会出现这样的情况，低功率白光LED也会存在这样的问题，只不过是因为低功率白光应用的产品不同，所以，并不会因此特别突显出这样的困扰。

使用的电流愈大，所获得的亮度就愈高，这是一般对于LED能够达到高亮度的观念，不过，因为所使用的电流增加，因此封装材料是否能够承受这样长时间的因为电流所产生的热，也因为这样的连续使用，往往封装材料的热抵抗会降到10k/w以下。

高功率LED的发热量是低功率LED的数十倍，因此，会出现随着温度上升，而出现发光功率降低的问题，所以在能够抗热性高封装材料的开发上，相对显的非常重要。

或许在20～30lm/W以下的LED，这些问题都不明显，但是，一旦面临60lm/w以上的高发光功率LED的时候，就需要想办法解决的。热效应所带来的影响，绝对不会仅仅只有LED本身，而是会对整个应用产品带来困扰，所以，LED如果能够在这一方面获得解决的话，那幺，也可以减轻应用产品本身的散热负担。因此，在面对不断提高电流情况的同时，如何增加抗热能力，也是现阶段的急待被克服的问题。从各方面来看，除了材料本身的问题外，还包括从芯片到封装材料间的抗热性、导热结构及封装材料到PCB板间的抗热性、导热结构和PCB板的散热结构等，这些都需要作整体性的考量。例如，即使能够解决从芯片到封装材料间的抗热性，但因从封装到PCB板的散热效果不好的话，同样也是造成LED芯片温度的上升，出现发光效率下降的现象。所以，就像是松下就为了解决这样的问题，从2005年开始，便把包括圆形、线形、面型的白光LED，与PCB基板设计成一体，来克服可能因为出现在从封装到PCB板间散热中断的问题。但并非所有的业者都像松下一样，因为各业者的策略关系，有的业者以基板设计的简便为目标，只针对PCB板的散热结构进行改良。还有相当多的业者，因为本身不生产LED，所以只能在PCB板做一些研发，但仅此还是不够的，所以需要选择散热性良好的白光LED。能让PCB板上用的金属材料，能与白光LED封装中的散热槽紧密连接，达到散热的能力。这样看起来好象只是因为期望达到散热，而把简单的一件事情予以复杂化，到底这样是不是符合成本和进步的概念？以今天的应用层面来说，很难做一个判断，不过，是有一些业者正朝向这方面作考量，例如Citizen在2004年所发表的产品，就是能够从封装上厚度为2～3mm的散热槽向外散热，提供应用业者能够因为使用了具有散热槽的高功率白光LED，能让PCB板的散热设计得以发挥。