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白光LED的发光效率及使用寿命问题
发布时间:2017-07-04 阅读：次 [打印文章] [关闭窗口]
图2 硅质密封材料与环氧树脂对LED光学特性的影响
虽然硅质密封材料可以确保白光LED有4万小时的使用寿命，然而照明设备业界有不同的看法，主要争论是传统白炽灯与荧光灯的使用寿命被定义成“亮度降至30%以下”，亮度减半时间为4万小时的白光LED，若换算成亮度降至30%以插件电感器下的话，大约只剩2万小时。目前有两种延长组件使用寿命的对策，分别是：
① 抑制白光LED整体的温升。
② 停止使用树脂封装方式。
以上两项对策可以达成亮度降至30%时使用寿命达4万小时的要求。抑制白光LED温升可以采用冷却白光LED封装印制电路板的方法，主要原因是封装树脂在高温状态下，加上强光照射会快速劣化，依照阿雷纽斯法则，温度降低100℃时寿命会延长2倍。
停止使用树脂封装可以彻底消灭劣化因素，因为白光LED产生的光线在封装树脂内反射，如果使用可以改变芯片侧面光线行进方向的树脂材质反射板，由于反射板会吸收光线，所以光线的取出量会锐减，这也是采用陶瓷系与金属系封装材料的主要原因。LED封装基板无树脂化结构如图3所示。
图3 LED封装基板无树脂化结构
有两种方法可以改善白光LED芯片的发光效率：一种是使用面积比小型芯片（1mm2左右）大10倍的大型LED芯片；另外一种是利用多个小型高发光效率LED芯片组合成一个单体模块。虽然大型LED芯片可以获得大光束，不过加大芯片面积会有负面影响，例如芯片内发光层不均匀、发光部位受到局限、芯片内部产生的光线放射到外部时会严重衰减等。针电感器生产厂家对以上问题，通过对白光LED的电极结构的改良，采用覆芯片化封装方式，同时整合芯片表面加上技术，目前已经达成50lm/W的发光效率。大型白光LED的封装方式如图4所示。有关芯片整体的发光层均等性，自从出现梳子状与网格状P型电极这后，使电极也朝最佳化方向发展。
图4 大型LED的封装方式
有关覆芯片化封装方式，由于发光层贴近封装端极易排放热量，加上发光层的光线发射到外部时无电极遮蔽的困扰，所以美国Lumileds公司与日本丰田合作已经正式采用覆芯片化封装方式，芯片表面加工可以防止光线从芯片内部朝芯片外部发射时在界面处发生反射，若在光线取出部位的蓝宝石基板上设置凹凸状结构，芯片外部的取光率可以提高30%左右。经过改良的大型LED芯片封装实体可以使芯片侧面射出的光线朝封装上方的反射板行进，高效率取出芯片内部光线的封装大小是7mm×7mm左右。大型LED的最后封装方式如图5所示。
图5 大型LED的最后封装方式
小型LED芯片的发光效率的提升似乎比大型LED芯片模块更有效。例如日本CITIZEN公司组合8个小型LED芯片，达到60lm/W的高发光效率。若使用日亚公司制作的0.3mm×0.3mm 小型LED芯片，一个封装模工型电感块最多使用12个这样的芯片，各LED芯片采用传统金线粘合封装方式，施加功率是2W左右。
对于白光LED辉度与色温不均差模电感器匀问题，在使用上必须筛选光学特性类似的白光LED。事实上减少白光LED发光特性的不均匀性、使LED芯片发光特性一致化以及实施荧光体材料浓度分布均匀化管理是非常重要的。
有关LED芯片的发光特性，各厂商都在非常积极地进行芯片筛选、发光特性的均等化处理等以减少LED发光特性不均匀问题，如松下电器公司已通电感厂家过芯片的筛选达成特性一致化的目标。该公司利用覆芯片化方式，将64个LED芯片封装在一片基板上，最后再分别覆盖荧光体。在加工时LED芯片先封装在次基板测试发光特性，接着将发光特性一致的芯片移植封装在主基板上。8个LED芯片封装在一片基板上，即使LED芯片的发光特性不均匀，8个LED芯片合计的发光特性在封装之间的不均匀性会变得非常小。利用多个小型LED芯片的组合提高发光波长均匀性的效果如图6所示。
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