LED降低温度与提升亮度

降低温度与提升亮度

温度问题

1.提高LED的电光转换效率，降低热量的产生

但是由于LED材料和制作工艺的限制，此种方法的发展空间不太乐观。

2.降低封装的热阻抗

由于增加电力反而会造成封装的热阻抗急剧降至10K/W以下，因此国外业者曾经开发耐高温白光LED，试图借此改善上述问题。然而，实际上大功率LED 的发热量比小功率 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。

为了降低热阻抗，许多国外LED厂商将LED芯片设置在铜与陶瓷材料制成的散热器（heat sink）表面，接着再用焊接方式将印刷电路板的散热用导线连接到利用冷却风扇强制空冷的散热器上。根据德国OSRAM Opto Semi conductors 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50℃，接合温度顶多只有70℃左右;相比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。因此，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芯片降温作用的负担。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温度上升的结果仍然会使发光效率急剧下跌。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，根据松下报导包含印刷电路板在内模组整体的热阻抗大约是15K/W左右。

亮度问题

材料技术

对于大部分半导体而言，并没有刚好合适的基板颗承载上方的异质外延晶体层，而成长的异质外延晶体层其晶格大小必须与基板的晶格匹配，才不至因应力的因素导致品格缺陷，使得组件发出的光子被缺陷吸收，而大幅降低组件的发光效率。最早的半导体异构异质外延晶体是采用GaAs做基板，并在其上成GaA1As的异质外延晶体层，因为这两种材料的晶格非常近似，所以异质外延晶体层与基片之间的应力绩效，在研发过程中并无发生太大的困扰。但是在后来陆续发展出来的异质外延晶体如GaAshP成长在GaAs基板上，或是GaAs~Pl成长在GaP基板上都有应力存在的问题。因此在光电材料中，往往通过调整二元、三元甚至四元材料的比率，这样一来除了可以借不同大小的多元原子的比例来匹配基片的晶格结构，也可因为调整半导体的能隙大小，而调整发光组件发光的波长，唯这样的方法在异质外延晶体参数的调整上也复杂许多，也因此可以看出，异质外延晶体技术可以成为半导体发光组件技术中的核心。

在异质外延晶体方法提高的同时，异质外延晶体的结构也持续改良。通过利用单一异质接面、双异质接面结构，或者是在异质外延晶体层中采用量子结构，提高二极管中少数载子注入效率，而产生非常高的光电转换效能。

提高白光LED光效

在高亮度LED应用中，白光LED范围最广。目前利用发光二极管配成白光的方法主要为三种：

A．单晶蓝光LED与黄光荧光粉

借助蓝光发光二极管激发涂布在其上方的黄光YAG荧光粉，荧光粉被激发后产生的黄光与原先用于激发的蓝光互补产生白光。

B.单晶型UVLED+RGB荧光粉

UVLED配三色荧光粉主要是利用实际上不参与发出白光的UVLED激发红蓝绿三色荧光粉，借助三色荧光粉发出的三色光配成白光，有效解决了利用单晶蓝光和黄光荧光粉的二极管存在均匀度的问题。存在问题在于配合荧光粉紫外光波长之选择、UVLED制作的难度及抗UV 封装材料的开发等等。

C.多得型RGB LED

将发出红蓝绿的三色晶粒封装在一起，直接配成白光。缺点是混光困难并且由于热源是三个晶粒，其散热问题更是其他封装形式的三倍，增加了其使用上的困难。

封装工艺和结构

1.提高白光LED组件取出效率

A．晶粒外型的改变-TIP结构

传统发光二极管晶粒的制作为标准的矩形外观，这种结构让光子在交界面离开半导体的几率变小，只能在内部全反射直到被吸收殆尽，造成发光效果不佳。因此改变LED形状是一个有效提高发光效率的方法。

B．表面粗化技术

借助将组件内部及外部的几何形状粗化，破坏光线在组件内部的全反射，提高组件的使出效率。

C. 芯片粘贴技术

为了减少基板对LED所发出的光线的吸收，采用透明基板粘贴技术。主要是将发光二极管晶粒先在高温环境下施加压力，并将透明GaN基板粘贴上去，之后再讲GaAs除去，如此便可提高二倍的光线取出率。

D.覆晶封装技术

是将传统的组件反置，并在P型电极上方制作反射率较高的反射层，将原先从组件上方发出的光线从组件其他的发光角度导出，而由蓝宝石基板端缘取光。

2.封装形式和结构

对于发光二极管而言，其一侧被高透明效果的不导热材料环氧树脂材料包覆，因此其主要的散热均是利用其晶粒下方的金属脚座散热。就目前的趋势来看，金属脚座材料的选择主要是以高热传导系数材料如铝铜等来组成，但这些材料与晶粒间的热膨胀系数差异甚大，所以一般都会在材料间加上兼具传导系数和膨胀系数的材料做间隔。一些高亮度发光二极管制造商纷纷推出大晶粒大功率的产品，但是这种工艺流程和封装技术只是将晶粒面积做大而已，其相关技术的研发仍是必经之过程。