各業者展現散熱設計功力
由于散熱器與印刷電路板之間的致密性直接左右熱傳導效果,因此印刷電路板的設計變得非常復雜。有鑒于此美國Lumileds與日本CITIZEN等照明設備、LED封裝 廠商,相繼開發高功率LED用簡易散熱技術,CITIZEN在2004年開始開始制造白光LED樣品封裝,不需要特殊接合技術也能夠將厚約2~3mm散熱器的熱量直接排放到外部,根據該CITIZEN報道雖然LED芯片的接合點到散熱器的30K/W熱阻抗比OSRAM的9K/W大,而且在一般環境下室溫會使熱阻抗增加1W左右,即使是傳統印刷電路板無冷卻風扇強制空冷狀態下,該白光LED模塊也可以連續點燈使用。
Lumileds于2005年開始制造的高功率LED芯片,接合容許溫度更高達+185℃,比其它公司同級產品高60℃,利用傳統RF 4印刷電路板封裝時,周圍環境溫度40℃范圍內可以輸入相當于1.5W電力的電流(大約是400mA)。所以Lumileds與CITIZEN是采取提高接合點容許溫度,德國OSRAM公司則是將LED芯片設置在散熱器表面,達到9K/W超低熱阻抗記錄,該記錄比OSRAM過去開發同級產品的熱阻抗減少 40%.值得一提的是該LED模塊 封裝時,采用與傳統方法相同的flip chip方式,不過LED模塊與散熱器接合時,則選擇最接近LED芯片發光層作為接合面,藉此使發光層的熱量能夠以最短距離傳導排放。
2003年東芝Lighting曾經在400mm正方的鋁合金表面,鋪設發光效率為60lm/W低熱阻抗白光LED,無冷卻風扇等特殊散熱組件前提下,試制光束為300lm的LED模塊。由于東芝Lighting擁有豐富的試制經驗,因此該公司表示由于模擬分析技術的進步,2006年之后超過 60lm/W的白光LED,都可以輕松利用燈具、框體提高熱傳導性,或是利用冷卻風扇強制空冷方式設計照明設備的散熱,不需要特殊散熱技術的模塊結構也能夠使用白光LED。
變更封裝材料抑制材質劣化與光線穿透率降低的速度
有關LED的長壽化,目前LED廠商采取的對策是變更封裝材料,同時將熒光材料分散在封裝材料內,尤其是硅質封裝材料比傳統藍光、近紫外光LED芯片上方環氧樹脂封裝材料,可以更有效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%,硅質封裝材料則低于1%,輝度減半的時間環氧樹脂不到一萬小時,硅質封裝材料可以延長到四萬小時左右,幾乎與照明設備的設計壽命相同,這意味著照明設備使用期間不需更換白光LED。不過硅質樹脂屬于高彈性柔軟材料,加工時必需使用不會刮傷硅質樹脂表面的制作技術,此外加工時硅質樹脂極易附著粉屑,因此未來必需開發可以改善表面特性的技術。
雖然硅質封裝材料可以確保LED四萬小時的使用壽命,然而照明設備業者卻出現不同的看法,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”。亮度減半時間為四萬小時的LED,若換算成亮度降至30%以下的話,大約只剩二萬小時左右。目前有兩種延長組件使用壽命的對策,分別是,抑制白光LED整體的溫升,和停止使用樹脂封裝方式。
一般認為如果徹底執行以上兩項延壽對策,可以達到亮度30%時四萬小時的要求。抑制白光LED溫升可以采用冷卻LED封裝印刷電路板的方法,主要原因是封裝樹脂高溫狀態下,加上強光照射會快速劣化,依照阿雷紐斯法則溫度降低10℃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,則反射板會吸收光線,使光線的取出量急劇銳減。這也是LED廠商一致采用陶瓷系與金屬系封裝材料主要原因。
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