各業(yè)者展現(xiàn)散熱設(shè)計(jì)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(dǎo)效果,因此印刷電路板的設(shè)計(jì)變得非常復(fù)雜。有鑒于此美國Lumileds與日本CITIZEN等照明設(shè)備、LED封裝 廠商,相繼開發(fā)高功率LED用簡易散熱技術(shù),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(shù)也能夠?qū)⒑窦s2~3mm散熱器的熱量直接排放到外部,根據(jù)該CITIZEN報(bào)道雖然LED芯片的接合點(diǎn)到散熱器的30K/W熱阻抗比OSRAM的9K/W大,而且在一般環(huán)境下室溫會(huì)使熱阻抗增加1W左右,即使是傳統(tǒng)印刷電路板無冷卻風(fēng)扇強(qiáng)制空冷狀態(tài)下,該白光LED模塊也可以連續(xù)點(diǎn)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(dá)+185℃,比其它公司同級產(chǎn)品高60℃,利用傳統(tǒng)RF 4印刷電路板封裝時(shí),周圍環(huán)境溫度40℃范圍內(nèi)可以輸入相當(dāng)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(diǎn)容許溫度,德國OSRAM公司則是將LED芯片設(shè)置在散熱器表面,達(dá)到9K/W超低熱阻抗記錄,該記錄比OSRAM過去開發(fā)同級產(chǎn)品的熱阻抗減少 40%.值得一提的是該LED模塊 封裝時(shí),采用與傳統(tǒng)方法相同的flip chip方式,不過LED模塊與散熱器接合時(shí),則選擇最接近LED芯片發(fā)光層作為接合面,藉此使發(fā)光層的熱量能夠以最短距離傳導(dǎo)排放。
2003年東芝Lighting曾經(jīng)在400mm正方的鋁合金表面,鋪設(shè)發(fā)光效率為60lm/W低熱阻抗白光LED,無冷卻風(fēng)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(jīng)驗(yàn),因此該公司表示由于模擬分析技術(shù)的進(jìn)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(dǎo)性,或是利用冷卻風(fēng)扇強(qiáng)制空冷方式設(shè)計(jì)照明設(shè)備的散熱,不需要特殊散熱技術(shù)的模塊結(jié)構(gòu)也能夠使用白光LED。
變更封裝材料抑制材質(zhì)劣化與光線穿透率降低的速度
有關(guān)LED的長壽化,目前LED廠商采取的對策是變更封裝材料,同時(shí)將熒光材料分散在封裝材料內(nèi),尤其是硅質(zhì)封裝材料比傳統(tǒng)藍(lán)光、近紫外光LED芯片上方環(huán)氧樹脂封裝材料,可以更有效抑制材質(zhì)劣化與光線穿透率降低的速度。由于環(huán)氧樹脂吸收波長為400~450nm的光線的百分比高達(dá)45%,硅質(zhì)封裝材料則低于1%,輝度減半的時(shí)間環(huán)氧樹脂不到一萬小時(shí),硅質(zhì)封裝材料可以延長到四萬小時(shí)左右,幾乎與照明設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命相同,這意味著照明設(shè)備使用期間不需更換白光LED。不過硅質(zhì)樹脂屬于高彈性柔軟材料,加工時(shí)必需使用不會(huì)刮傷硅質(zhì)樹脂表面的制作技術(shù),此外加工時(shí)硅質(zhì)樹脂極易附著粉屑,因此未來必需開發(fā)可以改善表面特性的技術(shù)。
雖然硅質(zhì)封裝材料可以確保LED四萬小時(shí)的使用壽命,然而照明設(shè)備業(yè)者卻出現(xiàn)不同的看法,主要爭論是傳統(tǒng)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(shí)間為四萬小時(shí)的LED,若換算成亮度降至30%以下的話,大約只剩二萬小時(shí)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(rèn)為如果徹底執(zhí)行以上兩項(xiàng)延壽對策,可以達(dá)到亮度30%時(shí)四萬小時(shí)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(tài)下,加上強(qiáng)光照射會(huì)快速劣化,依照阿雷紐斯法則溫度降低10℃壽命會(huì)延長2倍。停止使用樹脂封裝可以徹底消滅劣化因素,因?yàn)長ED產(chǎn)生的光線在封裝樹脂內(nèi)反射,如果使用可以改變芯片側(cè)面光線行進(jìn)方向的樹脂材質(zhì)反射板,則反射板會(huì)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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