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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6 利用多个小型LED芯片的组合提高发光波长均匀性白光LED通常是用内含荧光体材料的密封树脂直接包覆LED芯片，此时密封树脂中荧光体材料的浓度可能出现偏差，最后造成白光LED的色温分布不均匀。因此，可将含荧光体材料的树脂薄片与LED芯片结合，由于薄片厚度与荧光体材料的浓度经过严格的管理，所以白光LED的色温分布不均程度比传统方式减少了4/5。业界认为使用荧光体薄片方式，配合LED芯片的发光特性，改变荧光体的浓度与薄片的厚度，就可以使白光LED的色温变功率电感化控制在预期范围内。
虽然说随着白光LED发光效率的逐步提高，将白光LED应用在照明领域的可能性也越来越大，但是很明显地，单只白光LED的光通量均偏低，因此以目前的封装形式是不太可能以单只白光LED来达到照明所需要的流明数。针对这人问题，目前主要的解决方法大致上可分为两类：一类是较传统地将多只LED组成光源模块来使用，而其中每只白光LED所需要的驱动电源与一般使用的相同（为20~30mA）；另一类方法是使用较大面功率电感器积的芯片，此时不再使用传统的0.3mm2大小的芯片，而采用0.6~1mm2大小的芯片，并使用高驱动电流来驱动这样的发光组件（一般为150~350mA，目前最高达到500mA以上）。但无论是使用何种方法，都会因为必须在极小的LED封装中处理极高的热量，若组件无法散去这些热量，除了各种封装材料会由于彼此间膨胀系数的不同而有产品可靠性的问题，芯片的发光效率更会随着温度的上升而有明显地下降，并造成使用寿命明显地缩短。因此，如何散去组件中的热量，成为目前白光LED封装技术的重要课题。
对于白光LED而言，最重要的是输出的光通量及光色，所以白光LED的一端必定不能遮光，而需使用高透明效果的环氧树脂材料包覆。然而目前的环氧树脂几乎都是不导热材料，因此对于目前的白光LED封装技术而言，主要是利用其白光LED芯片下方的金属脚座散去组件所发出的热量。就目前的趋势看来，金属脚座材料主要是以高热传导系数的材料为主而组成的，如铝、铜甚至陶瓷材料等，但这些材料与芯片间的热膨胀系数差异甚大，若将其直接接触，很可能因为在温度升高时材料间产生应力而造成可靠性电感生产厂家问题，所以一般都会在材料间加上具有适当传导系数及膨胀系数的中间差模电感材料作为间隔。松下电器将公司多只白光LED制成在金属材料与金属系复合材料所制成的多层基板模块上以形成光源模块，利用光源基板的高导热效果，使光源的输出在长时间使用时仍能维持稳定。Lumileds生产的白光LED基板所使用的材料为具有高传导系数的铜材，再将其连接至特制的金属电路板，就可以兼顾电路导通及增加热传导效果。
大功率白光LED产品的芯片制造技术、封装技术似乎已经成为高亮度白光LED的主流技术，然而与大芯片相关的制造技术及封装技术不只是将芯片面积做大，若希望将白光LED应用于高亮度照明领域，相关技术仍有待进一步研究。
白光LED应用于一般照明领域还有诸多问题需要解决，首先是白光LED的效率提升，例如GaInN系的绿光、蓝光以及近紫外光LED的效率仍功率电感器有很大的开发裕度。此外，综合能源效率的内部量子效率的提升是最重要的项目，内部量子效率由活性层的非发光再结合百分比与发光再结合百分比所决定，因此可以把焦点锁定在非发光再结合这部分，并设法降低结晶缺陷。而减少紫外光LED的转位密度确实可以明显提高内部量子效率，未来必须针对紫外光LED进一步降低它的转位密度。不过这项对策对绿光、蓝光LED并没有明显的影响。
绿光与蓝光LED在低电流密度（约1A/cm2）时具有最大的量子效率，在高电流密度时量子效率反而会下降，如图7所示。从成本观点考虑时则希望LED能够以高电流密度来驱动，同时尽可能增加组件的输出功率，因此早日解开绿光与蓝光LED高电流密度时量子效率下降的机理与原因，不单是材料物理特性探索上的需要，这项研究对于未来应用也是具有关键性的角色。目前的研究显示紫光LED（波长为382nm）即使施加高电流密度（50A/cm2），量子效率也不会下降。
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