白光LED的發光效率及使用壽命問題

為了獲得充分的白光LED光束，曾經開發大尺寸LED芯片，試圖以此方式達成預期目標。實際上在白光LED上施加的電功率持續超過1W以上時光束反而會下降，發光效率則相對降低20%~30%，提高白光LED的輸入功率和發光效率必須克服的問題有：抑制溫升；確保使用壽命；改善發光效率；發光特性均等化。

??????? 增加功率會使用白光LED封裝的熱阻抗下降至10K/W以下，因此國外曾經開發耐高溫白光LED，試圖以此改善溫升問題。因大功率白光LED的發熱量比小功率白光LED高數十倍以上，即使白光LED的封裝允許高熱量，但白光LED芯片的允許溫度是一定的。抑制溫升的具體方法是降低封裝的熱阻抗。

??????? 提高白光LED使用壽命的具體方法是改善芯片外形，采用小型芯片。因白光LED的發光頻譜中含有波長低于450nm的短波長光線，傳統環氧樹脂密封材料極易被短波長光線破壞，高功率白光LED的大光量更加速了密封材料的劣化。改用硅質密封材料與陶瓷封裝材料，能使白光LED的使用壽命提高一位數。

??????? 改善白光LED的發光效率的具體方法是改善芯片結構與封裝結構，達到與低功率白光LED相同的水準，主要原因是電流密度提高2倍以上時，不但不容易從大型芯片取出光線，結果反而會造成發光效率不如低功率白光LED，如果改善芯片的電極構造，理論上就可以解決上述取光問題。

??????? 實現發光特性均勻化的具體方法是改善白光LED的封裝方法，一般認為只要改善白光LED的熒光體材料濃度均勻性與熒光體的制作技術就可以克服上述困擾。

??????? 減少熱阻抗、改善散熱問題的具體內容分別是：

①???? 降低芯片到封裝的熱阻抗。

②???? 抑制封裝至印制電路基板的熱阻抗。

③???? 提高芯片的散熱順暢性。

??????? 為了降低熱阻抗，國外許多LED廠商將LED芯片設在銅與陶瓷材料制成的散熱鰭片表面，如圖1所示，用焊接方式將印制電路板上散熱用導線連接到利用冷卻風扇強制空冷的散熱鰭片上。德國OSRAM Opto Semiconductors Gmb 實驗結果證實，上述結構的LED芯片到焊接點的熱阻抗可以降低9K/W，大約是傳統LED的1/6左右。封裝后的LED施加2W的電功率時，LED芯片的溫度比焊接點高18℃，即使印制電路板的溫度上升到500℃，LED芯片的溫度也只有700℃左右。熱阻抗一旦降低，LED芯片的溫度就會受到印制電路板溫度的影響，為此必須降低LED芯片到焊接點的熱阻抗。反過來說，即使白光LED具備抑制熱阻抗的結構，如果熱量無法從LED封裝傳導到印制電路板的話，LED溫度的上升將使其發光效率下降，因此松下公司開發出了印制電路板與封裝一體化技術，該公司將邊長為1mm的正方形藍光LED以覆芯片化方式封裝在陶瓷基板上，接著再將陶瓷基板粘貼在銅質印制電路板表面，包含印制電路板在內模塊整體的熱阻抗大約是15K/W。

(a)? OSRAM LED的封裝方式

(b)? CITIZEN LED的封裝方式

圖1? LED散熱結構

??????? 針對白光LED的長壽化問題，目前LED廠商采取的對策是變更密封材料，同時將熒光材料分散在密封材料內，可以更有效地抑制材質劣化與光線穿透率降低的速度。

??????? 由于環氧樹脂吸收波長為400~450nm 的光線的百分比高達45%，硅質密封材料則低于1%，環氧樹脂亮度減半的時間不到1萬小時，硅質密封材料可以延長到4萬小時左右（如圖2所示），幾乎與照明設備的設計壽命相同，這意味著照明設備在使用期間不需更換白光LED。不過硅質密封材料屬于高彈性柔軟材料，加工上必須使用不會刮傷硅質密封材料表面的制作技術，此外制程上硅質密封材料極易附著粉屑，因此未來必須開發可以改善表面特性的技術。

圖2? 硅質密封材料與環氧樹脂對LED光學特性的影響

??????? 雖然硅質密封材料可以確保白光LED有4萬小時的使用壽命，然而照明設備業界有不同的看法，主要爭論是傳統白熾燈與熒光燈的使用壽命被定義成“亮度降至30%以下”，亮度減半時間為4萬小時的白光LED，若換算成亮度降至30%以下的話，大約只剩2萬小時。目前有兩種延長組件使用壽命的對策，分別是：

①???? 抑制白光LED整體的溫升。

②???? 停止使用樹脂封裝方式。

??????? 以上兩項對策可以達成亮度降至30%時使用壽命達4萬小時的要求。抑制白光LED溫升可以采用冷卻白光LED封裝印制電路板的方法，主要原因是封裝樹脂在高溫狀態下，加上強光照射會快速劣化，依照阿雷紐斯法則，溫度降低100℃時壽命會延長2倍。

??????? 停止使用樹脂封裝可以徹底消滅劣化因素，因為白光LED產生的光線在封裝樹脂內反射，如果使用可以改變芯片側面光線行進方向的樹脂材質反射板，由于反射板會吸收光線，所以光線的取出量會銳減，這也是采用陶瓷系與金屬系封裝材料的主要原因。LED封裝基板無樹脂化結構如圖3所示。

圖3? LED封裝基板無樹脂化結構

??????? 有兩種方法可以改善白光LED芯片的發光效率：一種是使用面積比小型芯片（1mm2左右）大10倍的大型LED芯片；另外一種是利用多個小型高發光效率LED芯片組合成一個單體模塊。雖然大型LED芯片可以獲得大光束，不過加大芯片面積會有負面影響，例如芯片內發光層不均勻、發光部位受到局限、芯片內部產生的光線放射到外部時會嚴重衰減等。針對以上問題，通過對白光LED的電極結構的改良，采用覆芯片化封裝方式，同時整合芯片表面加上技術，目前已經達成50lm/W的發光效率。大型白光LED的封裝方式如圖4所示。有關芯片整體的發光層均等性，自從出現梳子狀與網格狀P型電極這后，使電極也朝最佳化方向發展。

圖4? 大型LED的封裝方式

??????? 有關覆芯片化封裝方式，由于發光層貼近封裝端極易排放熱量，加上發光層的光線發射到外部時無電極遮蔽的困擾，所以美國Lumileds公司與日本豐田合作已經正式采用覆芯片化封裝方式，芯片表面加工可以防止光線從芯片內部朝芯片外部發射時在界面處發生反射，若在光線取出部位的藍寶石基板上設置凹凸狀結構，芯片外部的取光率可以提高30%左右。經過改良的大型LED芯片封裝實體可以使芯片側面射出的光線朝封裝上方的反射板行進，高效率取出芯片內部光線的封裝大小是7mm×7mm左右。大型LED的最后封裝方式如圖5所示。

圖5? 大型LED的最后封裝方式

??????? 小型LED芯片的發光效率的提升似乎比大型LED芯片模塊更有效。例如日本CITIZEN公司組合8個小型LED芯片，達到60lm/W的高發光效率。若使用日亞公司制作的0.3mm×0.3mm 小型LED芯片，一個封裝模塊最多使用12個這樣的芯片，各LED芯片采用傳統金線粘合封裝方式，施加功率是2W左右。

??????? 對于白光LED輝度與色溫不均勻問題，在使用上必須篩選光學特性類似的白光LED。事實上減少白光LED發光特性的不均勻性、使LED芯片發光特性一致化以及實施熒光體材料濃度分布均勻化管理是非常重要的。

??????? 有關LED芯片的發光特性，各廠商都在非常積極地進行芯片篩選、發光特性的均等化處理等以減少LED發光特性不均勻問題，如松下電器公司已通過芯片的篩選達成特性一致化的目標。該公司利用覆芯片化方式，將64個LED芯片封裝在一片基板上，最后再分別覆蓋熒光體。在加工時LED芯片先封裝在次基板測試發光特性，接著將發光特性一致的芯片移植封裝在主基板上。8個LED芯片封裝在一片基板上，即使LED芯片的發光特性不均勻，8個LED芯片合計的發光特性在封裝之間的不均勻性會變得非常小。利用多個小型LED芯片的組合提高發光波長均勻性的效果如圖6所示。

圖6? 利用多個小型LED芯片的組合提高發光波長均勻性

??????? 白光LED通常是用內含熒光體材料的密封樹脂直接包覆LED芯片，此時密封樹脂中熒光體材料的濃度可能出現偏差，最后造成白光LED的色溫分布不均勻。因此，可將含熒光體材料的樹脂薄片與LED芯片結合，由于薄片厚度與熒光體材料的濃度經過嚴格的管理，所以白光LED的色溫分布不均程度比傳統方式減少了4/5。業界認為使用熒光體薄片方式，配合LED芯片的發光特性，改變熒光體的濃度與薄片的厚度，就可以使白光LED的色溫變化控制在預期范圍內。

??????? 雖然說隨著白光LED發光效率的逐步提高，將白光LED應用在照明領域的可能性也越來越大，但是很明顯地，單只白光LED的光通量均偏低，因此以目前的封裝形式是不太可能以單只白光LED來達到照明所需要的流明數。針對這人問題，目前主要的解決方法大致上可分為兩類：一類是較傳統地將多只LED組成光源模塊來使用，而其中每只白光LED所需要的驅動電源與一般使用的相同（為20~30mA）；另一類方法是使用較大面積的芯片，此時不再使用傳統的0.3mm2大小的芯片，而采用0.6~1mm2大小的芯片，并使用高驅動電流來驅動這樣的發光組件（一般為150~350mA，目前最高達到500mA以上）。但無論是使用何種方法，都會因為必須在極小的LED封裝中處理極高的熱量，若組件無法散去這些熱量，除了各種封裝材料會由于彼此間膨脹系數的不同而有產品可靠性的問題，芯片的發光效率更會隨著溫度的上升而有明顯地下降，并造成使用壽命明顯地縮短。因此，如何散去組件中的熱量，成為目前白光LED封裝技術的重要課題。

??????? 對于白光LED而言，最重要的是輸出的光通量及光色，所以白光LED的一端必定不能遮光，而需使用高透明效果的環氧樹脂材料包覆。然而目前的環氧樹脂幾乎都是不導熱材料，因此對于目前的白光LED封裝技術而言，主要是利用其白光LED芯片下方的金屬腳座散去組件所發出的熱量。就目前的趨勢看來，金屬腳座材料主要是以高熱傳導系數的材料為主而組成的，如鋁、銅甚至陶瓷材料等，但這些材料與芯片間的熱膨脹系數差異甚大，若將其直接接觸，很可能因為在溫度升高時材料間產生應力而造成可靠性問題，所以一般都會在材料間加上具有適當傳導系數及膨脹系數的中間材料作為間隔。松下電器將公司多只白光LED制成在金屬材料與金屬系復合材料所制成的多層基板模塊上以形成光源模塊，利用光源基板的高導熱效果，使光源的輸出在長時間使用時仍能維持穩定。Lumileds生產的白光LED基板所使用的材料為具有高傳導系數的銅材，再將其連接至特制的金屬電路板，就可以兼顧電路導通及增加熱傳導效果。

??????? 大功率白光LED產品的芯片制造技術、封裝技術似乎已經成為高亮度白光LED的主流技術，然而與大芯片相關的制造技術及封裝技術不只是將芯片面積做大，若希望將白光LED應用于高亮度照明領域，相關技術仍有待進一步研究。

??????? 白光LED應用于一般照明領域還有諸多問題需要解決，首先是白光LED的效率提升，例如GaInN系的綠光、藍光以及近紫外光LED的效率仍有很大的開發裕度。此外，綜合能源效率的內部量子效率的提升是最重要的項目，內部量子效率由活性層的非發光再結合百分比與發光再結合百分比所決定，因此可以把焦點鎖定在非發光再結合這部分，并設法降低結晶缺陷。而減少紫外光LED的轉位密度確實可以明顯提高內部量子效率，未來必須針對紫外光LED進一步降低它的轉位密度。不過這項對策對綠光、藍光LED并沒有明顯的影響。

??????? 綠光與藍光LED在低電流密度（約1A/cm2）時具有最大的量子效率，在高電流密度時量子效率反而會下降，如圖7所示。從成本觀點考慮時則希望LED能夠以高電流密度來驅動，同時盡可能增加組件的輸出功率，因此早日解開綠光與藍光LED高電流密度時量子效率下降的機理與原因，不單是材料物理特性探索上的需要，這項研究對于未來應用也是具有關鍵性的角色。目前的研究顯示紫光LED（波長為382nm）即使施加高電流密度（50A/cm2），量子效率也不會下降。

圖7? GaInN 系 LED的量子效率與電流密度的關系

??????? 傳統的白光LED都是將邊長為200~350μm的正方形芯片封裝成圓頭柱外形，之后為了獲得照明所需要的光束，再將已封裝的多個白光LED組件排列成矩陣狀。單純以高輸出功率為目的而特別開發出的面積比以往芯片大6~10倍，外形尺寸高達500μm~1mm的白光LED，雖然封裝后可獲得數百毫瓦（數十流明）的輸出功率，但是加大芯片的外形尺寸，反而使白光LED內部的光吸收比率增加、外部取光率降低。就以AlGaInP LED為例，芯片的外形尺寸從0.22mm×0.22mm加大為0.50mm×0.50mm后，外部取光率反而降低20%左右。如果改用TIP結構，內部多重反射的結果使得內部光吸收率降低，外部取光率則明顯提高。GaInN LED 也有相同的效果。如何提高LED芯片的外部取光率是LED應用于一般照明領域的關鍵。此外，高的熱阻抗（150~200K/W）對高亮度輸出相當不利。LED內部量子效率對活性層溫度的依存度極大，因此除了低熱阻抗封裝技術之外，利用散熱片排除活性層的熱流成為今后研發的熱點。