如何改善散热结构以提高白光LED的使用寿命

　　过去LED业者为了获利充分的白光LED光束，曾经开发大尺寸LED芯片试图藉此方式达成预期目标，不过实际上白光LED的施加电力持续超过1W以上时光束反而会下降，发光效率则相对降低20～30％，换句话说白光LED的亮度如果要比传统LED大数倍，消费电力特性希望超越荧光灯的话，就必需先克服下列的四大课题，包括，抑制温升、确保使用寿命、改善发光效率，以及发光特性均等化。

　　有关温升问题具体方法是降低封装的热阻抗；维持LED的使用寿命具体方法，是改善芯片外形、采用小型芯片；改善LED的发光效率具体方法是改善芯片结构、采用小型芯片；至于发光特性均匀化具体方法是LED的改善封装方法，而这些方法已经陆续被开发中。

　　解决封装的散热问题才是根本方法

　　由于增加电力反而会造成封装的热阻抗急遽降至10K/W以下，因此国外业者曾经开发耐高温白光LED试图藉此改善上述问题，然而实际上大功率LED的发热量却比小功率LED高数十倍以上，而且温升还会使发光效率大幅下跌，即使封装技术允许高热量，不过LED芯片的接合温度却有可能超过容许值，最后业者终于领悟到解决封装的散热问题才是根本方法。

　　有关LED的使用寿命，例如改用硅质封装材料与陶瓷封装材料，能使LED的使用寿命提高一位数，尤其是白光LED的发光频谱含有波长低于450nm短波长光线，传统环氧树脂封装材料极易被短波长光线破坏，高功率白光LED的大光量更加速封装材料的劣化，根据业者测试结果显示连续点灯不到一万小时，高功率白光LED的亮度已经降低一半以上，根本无法满足照明光源长寿命的基本要求。

　　有关LED的发光效率，改善芯片结构与封装结构，都可以达到与低功率白光LED相同水平，主要原因是电流密度提高2倍以上时，不但不容易从大型芯片取出光线，结果反而会造成发光效率不如低功率白光LED的窘境，如果改善芯片的电极构造，理论上就可以解决上述取光问题。

　　设法减少热阻抗、改善散热问题

　　有关发光特性均匀性，一般认为只要改善白光LED的荧光体材料浓度均匀性与荧光体的制作技术，应该可以克服上述困扰。如上所述提高施加电力的同时，必需设法减少热阻抗、改善散热问题，具体内容分别是：降低芯片到封装的热阻抗、抑制封装至印刷电路基板的热阻抗、提高芯片的散热顺畅性。

　　为了要降低热阻抗，许多国外LED厂商将LED芯片设在铜与陶瓷材料制成的散热鳍片（heat sink）表面，接着再用焊接方式将印刷电路板上散热用导线，连接到利用冷却风扇强制空冷的散热鳍片上，根据德国OSRAM Opto Semiconductors Gmb实验结果证实，上述结构的LED芯片到焊接点的热阻抗可以降低9K/W，大约是传统LED的1/6左右，封装后的LED施加2W的电力时，LED芯片的接合温度比焊接点高18K，即使印刷电路板温度上升到500C，接合温度顶多只有700C左右；相较之下以往热阻抗一旦降低的话，LED芯片的接合温度就会受到印刷电路板温度的影响，如此一来必需设法降低LED芯片的温度，换句话说降低LED芯片到焊接点的热阻抗，可以有效减轻LED芯片降温作业的负担。反过来说即使白光LED具备抑制热阻抗的结构，如果热量无法从封装传导到印刷电路板的话，LED温度上升的结果发光效率会急遽下跌，因此松下电工开发印刷电路板与封装一体化技术，该公司将1mm正方的蓝光LED以flip chip方式封装在陶瓷基板上，接着再将陶瓷基板粘贴在铜质印刷电路板表面，根据松下表示包含印刷电路板在内模块整体的热阻抗大约是15K/W左右。

　　各业者展现散热设计功力

　　由于散热鳍片与印刷电路板之间的密着性直接左右热传导效果，因此印刷电路板的设计变得非常复杂，有鉴于此美国Lumileds与日本CITIZEN等照明设备、LED封装厂商，相继开发高功率LED用简易散热技术，CITIZEN在2004年开始样品出货的白光LED封装，不需要特殊接合技术也能够将厚约2～3mm散热鳍片的热量直接排放到外部，根据该CITIZEN表示虽然LED芯片的接合点到散热鳍片的30K/W热阻抗比OSRAM的9K/W大，而且在一般环境下室温会使热阻抗增加1W左右，不过即使是传统印刷电路板无冷却风扇强制空冷状态下，该白光LED模块也可以连续点灯使用。

Lumileds于2005年开始样品出货的高功率LED芯片，接合容许温度更高达+1850C，比其它公司同级产品高600C，利用传统RF4印刷电路板封装时，周围环境温度400C范围内可以输入相当于1.5W电力的电流（大约是400mA） 。所以Lumileds与CITIZEN使采取提高接合点容许温度，德国OSRAM公司则是将LED芯片设在散热鳍片表面，达成9K/W超低热阻抗记录，该记录比OSRAM过去开发同级品的热阻