摘要:通過建構光源模組技術并整合高功封裝技術、光學設計、電控及熱處技術能，改善散熱方式，低發光二極體接面，提升發光效;改善產品的質量穩定性和可靠性，建立優質高效、經濟舒適、安全可靠、有益環境的高效能半導體光源系統。
關鍵詞:高效能制;LED;散熱;照明質量
0引言
在我國，以LED為核心的新能源、新光源照明產業正在加速發展，其動力主要來自兩方面：①政府政策的支持和推動；②企業看重這一市場機遇加大投入。而行業內專業、高端展會更是把LED照明產業推上新的發展高度。本文在反映整個新光源與新能源照明行業的最新發展趨勢、狀態及問題所在的同時，集中展示技術、產品及應用。近年來，LED技術進步和產業的提升［1］，使LED外延、芯片、封裝、驅動電路以及顯示應用、照明控制等相關技術的發展非常快，產品性價比上升明顯，這給LED照明從可能變為現實帶來無限的希望。目前，我國LED產業與國際一流水平相比差距并不大，而且中國具有自主知識產權的單元技術已經顯現，中國在LED外延材料、芯片制造、器件封裝、熒光粉等方面均已顯現具有自主技術產權的單元技術，部分核心技術具有原創性，為中國LED產業做大做強在一定程度上奠定了基礎。
1LED概念及發光原理
發光二極管（LightEmittingDiode，LED）是新型高效固體光源，具有節能、環保和壽命長等顯著優點。它的主體是一塊電致發光的半導體材料，在它兩端加上正向電壓，電流會從LED陽極流向陰極，半導體晶體就發出從紫外到紅外不同顏色的光線，電流越強，發光越強。LED發光原理不同于傳統UHE、UHP燈泡，它在發光過程中不會產生大量熱量，因此壽命都可以達到6萬h以上。半導體照明在同樣亮度下，耗電僅為普通白熾燈的1/10，節能燈的1/2，使用壽命卻可能延長100倍。自2003年以來［2］，在“國家半導體照明工程”的組織實施過程中，國內的相關企業、研發機構和大學圍繞寬、禁帶半導體材料、大功率LED器件、封裝、配套原材料、重大裝備等方面開展研發，攻克了一系列半導體照明的關鍵技術，取得了顯著進展。但半導體白光照明技術還遠不成熟，還有一系列的技術問題有待解決，特別是在產品的質量穩定性和可靠性上，更有待提高。
發光二極管由PN結芯片、電極和光學系統3個主要部分組成。晶片（發光體）的面積為10．12mil（1mil=0．0254mm2），國際上目前生產的大晶片LED面積可達40mil。發光二極管發光過程為正向偏壓下的載流子注入［3］、光能傳輸和復合輻射3部分。在潔凈的環氧樹脂物中封裝了微小的半導體晶片，帶負電的電子通過該晶片，移動到帶正電的空穴區域，電子和空穴復合并同時消失，形成光子。光子能量的多少由電子和空穴之間的能量（帶隙）決定，能量（帶隙）越大，光子的能量就越高。不同的材料帶隙不同，光子的能量與光的顏色對應，就會發出不同顏色的光，光譜中，紅色光、桔色光具有的能量最少，紫色光、藍色光具有的能量最多。
高亮度的白光LED將成為LED照明光源的主流。商品化的白光LED目前是以藍光單晶片混合YAG黃色熒光粉產生白光，即多是二波長。未來較被看好的是三波長白光LED，即以無機紫外光晶片加紅、藍、綠三顏色熒光粉混合產生白光，它會取代LED背光源、熒光燈、緊湊型節能熒光燈泡等市場。
LED是1種半導體元器件（見圖1），核心是p型及n型半導體組成的芯片［4］。在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層，稱為p－n結。當注入p－n結的載流子數量足夠多，就可以實現把電能轉換為光能的效果。一般的低功率LED產品擁有能耗低、體積小、反應時間快、有多種光顏色輸出、產品壽命長和不含對環境有害的汞等優點。
雖然發光管是冷光源，但LED的光效偏低，在高光效/發光效率（lm/W）LED燈具應用上需要輸入大量的電能來轉換成光能。大電流在半導體材料上會產生傳導性電阻熱，加上半導體材料制作的LED不耐高溫，導致過熱使LED燈的光輸出率及壽命大幅降低。
2散熱設計
LED元件的核心設計，即是由一片LED晶粒［5］利用加在其上的電壓使之產生發光，而與一般硅晶片類似，LED晶片也會因為長時間使用而產生光衰現象［6］，多數設計方案為了提升元件發光亮度，利用增加晶體的偏壓，即提升加諸于LED的電能功率，讓晶片能夠激發出更高的亮度，如此一來，加強LED功率也會使得晶體的光衰問題、壽命問題加速出現，甚至元件本身因強化亮度而產生的高溫，也會造成產品壽命的縮短。
當單顆LED晶粒隨著亮度提升［7］，單顆LED功耗W數也會由0．1W提高至1W，3W，甚至5W以上，而多數的LED光源模組實測分析，也會出現封裝模組的熱阻抗因增加發光效能而提升，一般會由250～350K/W持續增加。而檢視測試結果會發現，LED會有隨著“功率”增加、“使用壽命”減少的現象［8］，原本可能具有2萬h使用壽命的LED光源元件，因為散熱影響，而降低到僅剩1000h的使用壽命。一般言，當元件在50°C的運作溫度下，均能維持最佳的2萬h壽命［9］，但當LED元件運行于70°C的環境，平均壽命則降至1萬h，若持續在100°C環境下運行，則壽命僅剩5000h。市場上的LED光源良秀不齊，許多公司宣稱其半導體光源連續使用壽命為10萬h，但產品實際可用壽命許多不到5000h，最短的不到100h［10］，使整個LED產業在市場上的信譽受對極大的影響。另一方面，半導體光源的用戶無法選購到可靠的產品，缺少對LED產品的質量可靠性及穩定性的有效檢測手段，直到客戶遭受損失。業界要為產業的進一步發展奠定技術基礎，必須有1個相對統一的產品質量與可靠性的測試及規范標準。
國際上CIE等相關機構鑒于LED產業的迅猛發展，還未能制定一個統一的規范，多由各公司自行測試和規定，主要包括高溫，常溫，低溫老化實驗，高溫高濕老化實驗，冷熱沖擊實驗，機械撞擊，靜電放電實驗，震動實驗，焊接實驗，鹽霧實驗等若干項。國內LED光源用戶一般也是用該室溫老化實驗來驗證供應商的產品質量和可靠性，好的公司則有做1000h室溫老化實驗。由于LED光源的使用壽命要求是1萬～10萬h（約1～11年），用戶很難有時間用常溫老化法求證。LED光源的壽命高溫下會大大縮短［11］。LED光源的壽命t和溫度呈指數關系，
t=t0·exp（－DEkT）
因此，高溫加速老化實驗是更快速嚴格的可靠性測試方法。85°C下LED光源壽命比常溫將會縮短約20倍。國內許多廠家的劣質產品則在24～100h內迅速老化，該實驗成為檢驗產品質量的一個快速試金石。
功率型LED會受熱量影響：①熱量集中于尺寸很小的芯片里，芯片的發光效率因結區溫度升高而降低，芯片周圍熒光粉的激射效率的降低，使器件的光學性能受到嚴重影響，且器件的穩定性和壽命也容易受熱應力的非均勻分布而降低；②白光照明系統中多個LED是密集排列的，高熱阻會因模塊間相互影響導致器件失效。
3LED模組設計的熱阻抗現況
除了關鍵元件LED易受溫度影響外，模組化概念開發也多［12］半被采取在光源設計中，甚至為了取代傳統光源，讓電子電路和發光元件只能在非常小的空間內整合，因為LED為DC直流驅動元件，多數燈具的連接電源為AC交流電源為主，目前的主流做法為了簡化LED光源的工作過程，直接將電源整流、LED發光元件和變壓模組進行整合，面臨的問題則是，可用的電路空間相對小很多，較佳的散熱效果在裝置內對流空間相對變小的情況下，自然也無法得到實現，模組的散熱處理只能透過主動式強制散熱的相關對策。
若由熱阻抗模組觀察所制作而成的熱流模型，對LED［13］晶粒預測接合點的溫度，接合點意指半導體的pn接合處，定義熱阻抗R為溫度差異與對應之功率耗損比值，而熱阻抗的形成因素相當多，但透過熱流模型的檢視方式，可以更清楚地確認，熱的散逸處理方面，是因為哪些關鍵問題而降低其效率，散熱改善工作可從元件、組裝方式、結構、基板材質進行。并可以從幾個關鍵處來檢視一般LED固態光源的熱流模型。
在圖2中高照明效果的天花板燈，其LED需高功率驅動發光，因此整合的電源模塊、散熱模塊成本也會較高。
例如，LED發光元件可以拆解為LED晶粒、封裝的塑料、晶粒與接腳的連線，從LED光源模組再觀察，即會有LED元件、MetalCorePCB（MCPCB）電路板、接合的金屬接腳，最后為散熱的鋁擠型散熱片等構成，而熱流模型可以觀察有幾個串聯的熱流阻抗，例如結合點、電路板與環境、乘載晶粒的金屬片等，再檢視串聯阻抗的熱回路，可發現散熱效率低下的問題癥結點。再深入觀察模型發現，從晶粒的接合點到整個外部環境的散熱過程，其實是由幾個散熱途徑匯總而成，例如，晶粒與乘載金屬片的材料特性、LED元件的表面接觸或是介于散熱用之鋁擠型散熱鰭片黏膠、電路板材料熱阻特性和封裝LED晶粒材料的光學樹脂接觸，乃至降溫裝置與空氣間的組合等，構成整個熱流的散熱過程。
4LED固態光源的散熱改善方式
LED固態光源的運作溫度如何有效散逸，是影響整個光源應用的照明效能、裝置壽命、能源利用效能等重要關鍵，而改善散熱的方式可自晶片層級的技術、電路板層級的技術、封裝LED晶粒的技術去改善。
（1）由于傳統的晶片制法，在晶片層級的散熱處理方面，多以藍寶石作為基板進行設計，而藍寶石基板的熱傳導系數接近20W/（m·K），其實很難將LED［14］磊晶產生的熱快速散出，在針對LED晶片級的散熱強化處理，尤其是針對高亮度、高功率的LED元件方面，目前主流的作法，是有效利用覆晶將磊晶的熱傳導出來，即使用覆晶（Flip-Chip）的形式。
（2）因LED元件上下兩端都設有金屬電極，可采行“垂直”電極的方式去制作LED元件，此可在散熱的問題上有所助益。例如，GaN基板為導電材質，采用GaN基板作為材料，基板下方可直接做電極進行連接，即可得到快速散逸磊晶溫度的效益，但這種作法會比傳統藍寶石基板作法的成本貴許多，因為材料成本較高，元件的制作成本亦會增加。
（3）對封裝層級的散熱強化作法，LED制作過程，整個LED可利用光學等級的環氧樹脂來封裝，增大LED元件機械強度，保護元件內的相關線路，但環氧樹脂的作法雖可提升元件強度，卻同時限制了元件的溫度操作范圍，因為高溫下使用光學級的環氧樹脂，會因強光或高溫，讓環氧樹脂的材質本身和光學特性劣化。
如圖3所示的亮度強化的燈具，局部高溫問題也會加劇，必須搭配更強力的主動散熱技術。
（4）芯片層面減少管芯熱阻是LED器件的熱量處理方法外，對封裝而言，為降低封裝后器件的熱阻應設計合理熱沉、采用高熱導率的封裝材料、采用多芯片封裝、優化驅動電源等，使器件性能提高。非成像光學是針對LED封裝的光學研究。半導體照明光源應用的重要研究內容就是利用非成像光學設計，滿足特定要求的LED光學系統。
目前封裝改善方式，傳統的炮彈式封裝技術僅在多數中低功率的LED元件中才使用，對于高功率、高亮度的LED元件，多改用LumiledsLuxeon系列封裝法，將散熱路徑集中于下方的金屬，內部的封裝改用光學特性和耐高溫、耐強光的矽樹脂去進行封裝，此封裝法可獲得較佳的機械強度，同時其內部對高溫、高強度藍光LED、紫外線照射有更強大的耐受能力。
以下是封裝光學設計實例在投射照明系統中的應用。投射照明系統的光源要有準直、高效的遠場分布。若通過LED光源與附加準直透鏡相結合實現準直光場分布，即采用二次光學元件，不但系統體積增加，且LED和二次元件間會存有空氣隙，出現額外的反射損耗。LED芯片封裝時的樹脂透鏡需重新設計，確保LED在封裝的同時實現準直：準直透鏡的二維、三維模型首先采用編程方式計算，其光場分布利用蒙特卡羅方法計算，設計模型利用計算結果修正，而后再制作準直透鏡。比較采用傳統二次元件系統的光場分布及利用直接準直LED光源的光場分布，該準直透鏡的亮度半高全角的理論值為9．8°，實測值為12．8°，其出光效率為90%。準直LED光源陣列的應用效果十分明顯。應該指出，此封裝結構能簡單地組合構成大面積陣列，具有很強的可擴展性，滿足不同的應用需求。
LED的封裝問題，除光學封裝設計、熱學處理外，值得探討與研究的相關技術還有高熱導率低損耗封裝樹脂材料、穩定有效驅動電源模塊、新型高轉換效率熒光粉材料等。因傳統光源和LED光源形貌上差別很大，如何在外觀上為市場接受，也成為封裝需解決的技術問題。
5結語
電路板層級的散熱改善，要求熱傳導性能具有中上表現的一般采取金屬基FR4（PCB））［15］制作，如IntegratedMetalSubstrate（IMS）、MCPCB處理，要求更高效能熱傳導能力的會采取陶瓷基板（Ceramic）去制作。
FR4（PCB）優勢為低成本，可導熱效能相對較差，多用于低功率的LED裝載方面。金屬基PCB（IMS、MCPCB）因工作溫度高，例如MCPCB結構由銅箔層、鋁基板、絕緣（介電）層構成，一般銅箔層（電路）為28．35～113．4g、鋁基板（金屬核心）層厚度在1～3．2mm、絕緣（介電）層為7．5～150μm左右厚度，可用在140°C環境下，為中高價位的制作成本。陶瓷基板（Ceramic）的成本和單價更高，因為陶瓷可讓乘載的晶片更為匹配，其熱膨脹系數表現佳，但無法用在大面積的電路，對于LED光源應用面，多數僅用于承載LED元件的區塊電路使用，來提升熱傳導效率。
除前述常見乘載的電路板外，其實還有相對多款具較佳熱傳導技術的基板技術，例如陶瓷基板（氧化鋁）、軟式印刷電路板、鋁鎂合金、金屬基復合材料基板、直接鋼接合基板（DBC）等技術，但部分技術仍有制作成本或裝載方面的考慮，必須視最終成品的實際熱流模型限制與改善幅度是否值得更換載板。