อายุการใช้งานยาวนานของ LED แสงสีขาว พลังงานสูงและใช้พลังงานต่ำ

อายุการใช้งานยาวนานของ LED แสงสีขาว พลังงานสูงและใช้พลังงานต่ำ

ในอดีต เพื่อที่จะทำกำไรอย่างเต็มที่จากลำแสง อุตสาหกรรมได้พัฒนาขนาดใหญ่และพยายามบรรลุเป้าหมายที่ต้องการด้วยวิธีนี้ แต่ในความเป็นจริง เมื่อพลังงานที่ใช้ของ LED สีขาวยังคงเกิน 1W ลำแสงจะลดลง และประสิทธิภาพการส่องสว่างจะลดลง 20~30 เปอร์เซ็นต์ กล่าวอีกนัยหนึ่ง หากความสว่างของ LED สีขาวมากกว่าความสว่างของ LED แบบเดิมหลายเท่า และลักษณะการใช้พลังงานมีมากกว่าความสว่างของหลอดฟลูออเรสเซนต์ จะต้องแก้ไขปัญหาหลักสี่ประการต่อไปนี้ก่อน: ระงับอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ข. มั่นใจอายุการใช้งาน ค. การปรับปรุงประสิทธิภาพการส่องสว่าง d. การปรับสมดุลคุณสมบัติการส่องสว่าง

วิธีการเฉพาะสำหรับปัญหาอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นคือการลดความต้านทานความร้อนของบรรจุภัณฑ์ วิธีการเฉพาะเพื่อรักษาอายุการใช้งานของ LED คือการปรับปรุงรูปร่างของชิปและใช้ชิปขนาดเล็ก วิธีการเฉพาะในการปรับปรุงประสิทธิภาพการส่องสว่างของ LED คือการปรับปรุงโครงสร้างชิปและใช้ชิปขนาดเล็ก สำหรับลักษณะการส่องสว่างสม่ำเสมอ วิธีการเฉพาะคือการปรับปรุงวิธีการบรรจุภัณฑ์ของ LED เป็นที่เชื่อกันโดยทั่วไปว่า LED สีขาวคาดว่าจะใช้มาตรการดังกล่าวข้างต้นในปี 2548-2549

การพัฒนาของ Jingwei เพื่อเพิ่มกำลังจะทำให้ความต้านทานความร้อนของบรรจุภัณฑ์ลดลงอย่างรวดเร็วต่ำกว่า 10K/W ดังนั้น บริษัทต่างประเทศจึงได้พัฒนาไฟ LED สีขาวทนอุณหภูมิสูงเพื่อพยายามปรับปรุงปัญหาข้างต้น อย่างไรก็ตาม ค่าความร้อนที่แท้จริงนั้นสูงกว่าค่าของ LED ที่ใช้พลังงานต่ำหลายสิบเท่า ข้างต้นและอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นจะยังลดประสิทธิภาพการส่องสว่างอย่างมาก แม้ว่าเทคโนโลยีการบรรจุหีบห่อจะให้ความร้อนสูง แต่อุณหภูมิการยึดติดของชิป LED อาจเกินค่าที่อนุญาตได้ ในที่สุด อุตสาหกรรมก็ตระหนักว่าการแก้ปัญหาการกระจายความร้อนของบรรจุภัณฑ์เป็นวิธีแก้ปัญหาพื้นฐาน

เกี่ยวกับอายุการใช้งานของ LED เช่น การใช้วัสดุปิดผนึกซิลิกอนและวัสดุบรรจุภัณฑ์เซรามิกสามารถเพิ่มอายุการใช้งานของ LED ได้ถึง 10 เปอร์เซ็นต์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งสเปกตรัมการส่องสว่างของ LED สีขาวประกอบด้วยแสงความยาวคลื่นสั้นที่มีความยาวคลื่นต่ำกว่า 450 นาโนเมตร ซึ่งเป็นอีพ็อกซี่แบบดั้งเดิม วัสดุปิดผนึกเรซิน มันง่ายมากที่จะได้รับความเสียหายจากแสงความยาวคลื่นสั้น ไฟ LED สีขาวกำลังสูงปริมาณมากช่วยเร่งการเสื่อมสภาพของวัสดุปิดผนึก จากผลการทดสอบของอุตสาหกรรม ความสว่างของ LED สีขาวกำลังสูงได้ลดลงมากกว่าครึ่งหนึ่งสำหรับแสงต่อเนื่องน้อยกว่า 10,000 ชั่วโมงซึ่งไม่สามารถตอบสนองแหล่งกำเนิดแสงได้ ข้อกำหนดพื้นฐานสำหรับอายุยืน

เกี่ยวกับประสิทธิภาพการส่องสว่างของ LED การปรับปรุงโครงสร้างชิปและโครงสร้างบรรจุภัณฑ์สามารถเข้าถึงระดับเดียวกับ LED สีขาวที่ใช้พลังงานต่ำ เหตุผลหลักคือเมื่อความหนาแน่นกระแสเพิ่มขึ้นมากกว่า 2 เท่า ไม่เพียงแต่จะดึงแสงจากเศษขนาดใหญ่เท่านั้น แต่ยังจะนำไปสู่ประสิทธิภาพการส่องสว่างอีกด้วย ไม่ดีเท่ากับภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกของไฟ LED สีขาวกำลังต่ำ หากโครงสร้างอิเล็กโทรดของชิปได้รับการปรับปรุง ปัญหาการดึงแสงที่กล่าวถึงข้างต้นสามารถแก้ไขได้ในทางทฤษฎี

เกี่ยวกับความสม่ำเสมอของลักษณะการส่องสว่าง โดยทั่วไปเชื่อว่าตราบใดที่ความเข้มข้นของวัสดุสารเรืองแสงของไฟ LED สีขาวได้รับการปรับปรุง เทคโนโลยีการผลิตของสารเรืองแสงควรจะสามารถเอาชนะปัญหาข้างต้น

ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น ในขณะที่กำลังเพิ่มกำลังที่ใช้ จำเป็นต้องพยายามลดความต้านทานความร้อนและปรับปรุงปัญหาการกระจายความร้อน เนื้อหาเฉพาะคือ:

① ลดความต้านทานความร้อนจากชิปไปยังแพ็คเกจ

②ลดความต้านทานความร้อนจากบรรจุภัณฑ์ไปยังวงจรพิมพ์

③ปรับปรุงความเรียบเนียนของการกระจายความร้อนของชิป

เพื่อลดความต้านทานความร้อน ผู้ผลิต LED จากต่างประเทศจำนวนมากวางชิป LED บนพื้นผิวของแผงระบายความร้อนที่ทำจากวัสดุทองแดงและเซรามิก จากนั้นใช้วิธีบัดกรีเพื่อเชื่อมต่อสายระบายความร้อนบนแผงวงจรพิมพ์กับการใช้พัดลมระบายความร้อน บนครีบระบายความร้อนที่มีการระบายความร้อนด้วยอากาศบังคับ ตามผลการทดลองของ OSRAM Opto Semiconductors Gmb ในประเทศเยอรมนี ค่าความต้านทานความร้อนจากชิป LED ไปยังข้อต่อประสานของโครงสร้างข้างต้นสามารถลดลงได้ 9K/W ซึ่งอยู่ที่ประมาณ 1/ 6 ของ LED แบบดั้งเดิมและ LED ในบรรจุภัณฑ์ใช้ 2W เมื่อพลังงานสูง อุณหภูมิพันธะของชิป LED จะสูงกว่าข้อต่อบัดกรี 18K แม้ว่าอุณหภูมิของแผงวงจรพิมพ์จะเพิ่มขึ้นเป็น 500C แต่อุณหภูมิการยึดเหนี่ยวจะอยู่ที่ประมาณ 700C เท่านั้น ในทางตรงกันข้าม เมื่อความต้านทานความร้อนลดลง อุณหภูมิการยึดติดของชิป LED จะสูงขึ้น ได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิของแผงวงจรพิมพ์จึงจำเป็นต้องพยายามลดอุณหภูมิของชิป LED กล่าวคือลดความต้านทานความร้อนจากชิป LED ไปยังข้อต่อบัดกรีซึ่งสามารถลดภาระในการระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ชิป LED ในทางกลับกัน แม้ว่า LED สีขาวจะมีโครงสร้างที่ยับยั้งการต้านทานความร้อน หากไม่สามารถนำความร้อนจากบรรจุภัณฑ์ไปยังแผงวงจรพิมพ์ได้ ประสิทธิภาพการส่องสว่างของ LED จะลดลงอย่างรวดเร็วเนื่องจากการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของ นำ. บริษัทได้ห่อหุ้ม LED สีน้ำเงินสี่เหลี่ยมจัตุรัสขนาด 1 มม. ไว้บนพื้นผิวเซรามิกในรูปแบบของชิปพลิก จากนั้นจึงวางพื้นผิวเซรามิกบนพื้นผิวของแผงวงจรพิมพ์ทองแดง ตามที่ Panasonic ระบุ ความต้านทานความร้อนของโมดูลทั้งหมดรวมถึงแผงวงจรพิมพ์อยู่ที่ประมาณ 15K/W เกี่ยวกับ.

เนื่องจากการยึดเกาะระหว่างครีบระบายความร้อนและแผงวงจรพิมพ์ส่งผลโดยตรงต่อเอฟเฟกต์การนำความร้อน การออกแบบแผงวงจรพิมพ์จึงซับซ้อนมาก ด้วยเหตุนี้ ผู้ผลิตอุปกรณ์ให้แสงสว่างและบรรจุภัณฑ์ LED เช่น Lumi ในสหรัฐอเมริกาและ CITIZEN ในญี่ปุ่นจึงได้พัฒนา LED กำลังสูงอย่างต่อเนื่อง ด้วยการใช้เทคโนโลยีการกระจายความร้อนอย่างง่าย แพ็คเกจ LED สีขาวที่ CITIZEN เริ่มสุ่มตัวอย่างในปี 2547 สามารถระบายความร้อนของครีบระบายความร้อนที่มีความหนาประมาณ 2 ~ 3 มม. ออกสู่ภายนอกได้โดยตรงโดยไม่ต้องใช้เทคโนโลยีการยึดติดพิเศษ ตามที่บริษัทระบุ แม้ว่าการยึดติดของชิป LED ความต้านทานความร้อน 30K/W จากจุดไปยังครีบระบายความร้อนจะมากกว่า OSRAM 9K/W และอุณหภูมิห้องจะเพิ่มความต้านทานความร้อนประมาณ 1W ในระดับปกติ สิ่งแวดล้อม แต่แม้ว่าแผงวงจรพิมพ์แบบดั้งเดิมไม่มีพัดลมระบายความร้อนสำหรับระบายความร้อนด้วยอากาศบังคับ แสงสีขาว มันยังสามารถใช้สำหรับแสงต่อเนื่อง

ชิป LED กำลังสูงที่ Lumileds เริ่มสุ่มตัวอย่างในปี 2548 มีอุณหภูมิการยึดติดที่สูงกว่าบวก 1850C ซึ่งสูงกว่าผลิตภัณฑ์ของบริษัทอื่นในระดับเดียวกัน 600C เมื่อใช้แพ็คเกจแผงวงจรพิมพ์ RF4 แบบดั้งเดิม สามารถป้อนอุณหภูมิแวดล้อมภายในช่วง 400C เทียบเท่ากับกระแสไฟ 1.5W (ประมาณ 400mA)

ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น Lumileds และ CITIZEN ได้ปรับใช้เพื่อเพิ่มอุณหภูมิที่อนุญาตของทางแยก ในขณะที่ OSRAM ของเยอรมนีได้ติดตั้งชิป LED บนพื้นผิวของครีบระบายความร้อนเพื่อให้ได้ค่าความต้านทานความร้อนต่ำพิเศษที่ 9K/W ซึ่ง สูงกว่าความต้านทานความร้อนของการพัฒนาผลิตภัณฑ์ที่คล้ายกันของ OSRAM ก่อนหน้านี้ ลด 40 เปอร์เซ็นต์ เป็นมูลค่าการกล่าวขวัญว่าโมดูล LED ถูกบรรจุโดยใช้วิธีการแบบพลิกชิปแบบเดียวกับวิธีการแบบเดิม แต่เมื่อโมดูล LED ถูกผูกมัดกับครีบระบายความร้อน ชั้นเปล่งแสงที่ใกล้กับชิป LED จะถูกเลือกเป็นพื้นผิวการประสาน เพื่อให้เกิดการเปล่งแสง ความร้อนของชั้นสามารถกระจายไปได้โดยการนำไฟฟ้าในระยะทางที่สั้นที่สุด

ในปี พ.ศ. 2546 บริษัท Toshiba Lighting Co., Ltd. เคยวาง LED สีขาวซึ่งมีประสิทธิภาพการส่องสว่างที่ 60lm/W ที่มีความต้านทานความร้อนต่ำบนพื้นผิวอลูมิเนียมอัลลอยด์ขนาด 400 มม. โดยไม่มีส่วนประกอบระบายความร้อนพิเศษ เช่น พัดลมระบายความร้อน และพยายามทำให้ โมดูล LED ที่มีลำแสง 300lm เนื่องจาก Toshiba Lighting Co., Ltd. มีประสบการณ์มากมายในการทดลองผลิต บริษัทกล่าวว่าเนื่องจากความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการวิเคราะห์การจำลอง ทำให้ LED สีขาวที่เกิน 60lm/W หลังจากปี 2549 สามารถใช้งานได้ง่าย การนำความร้อนของเฟรมสามารถทำได้ ปรับปรุง หรืออุปกรณ์แสงสว่างสามารถออกแบบด้วยการระบายความร้อนด้วยอากาศบังคับโดยพัดลมระบายความร้อน โครงสร้างโมดูลที่ไม่ต้องการเทคโนโลยีการทำความเย็นแบบพิเศษก็สามารถใช้ไฟ LED สีขาวได้

เกี่ยวกับอายุขัยของ LEDs มาตรการแก้ไขในปัจจุบันที่ดำเนินการโดยผู้ผลิต LED คือการเปลี่ยนวัสดุปิดผนึก และในขณะเดียวกันวัสดุเรืองแสงจะกระจายตัวในวัสดุปิดผนึก โดยเฉพาะอย่างยิ่งวัสดุปิดผนึกซิลิกอนจะดีกว่าวัสดุปิดผนึกอีพอกซีเรซินเหนือแบบดั้งเดิม ชิป LED สีน้ำเงินและใกล้อัลตราไวโอเลต มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการยับยั้งความเร็วของการเสื่อมสภาพของวัสดุและการลดการส่งผ่านแสง

เนื่องจากเปอร์เซ็นต์ของอีพอกซีเรซินดูดซับแสงที่มีความยาวคลื่น 400~450 นาโนเมตรนั้นสูงถึง 45 เปอร์เซ็นต์ วัสดุปิดผนึกซิลิกอนจึงน้อยกว่า 1 เปอร์เซ็นต์ และเวลาในการลดความสว่างของอีพอกซีเรซินลงครึ่งหนึ่งจึงน้อยกว่า 10{{ 5}} ชั่วโมง และวัสดุปิดผนึกซิลิกอนสามารถขยายได้ถึงประมาณ 40,000 ชั่วโมง ซึ่งเกือบจะเหมือนกับอายุการออกแบบของอุปกรณ์ให้แสงสว่าง ซึ่งหมายความว่าไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนไฟ LED สีขาว ระหว่างการใช้อุปกรณ์ให้แสงสว่าง อย่างไรก็ตาม ซิลิโคนเรซินเป็นวัสดุที่มีความยืดหยุ่นสูงและอ่อนนุ่ม และต้องใช้เทคโนโลยีการผลิตที่ไม่ทำให้เกิดรอยขีดข่วนบนพื้นผิวของซิลิโคนเรซินในระหว่างกระบวนการผลิต นอกจากนี้ ซิลิโคนเรซินยังยึดติดกับฝุ่นได้ง่ายในระหว่างกระบวนการ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องพัฒนาเทคโนโลยีที่สามารถปรับปรุงลักษณะพื้นผิวได้ในอนาคต

แม้ว่าวัสดุปิดผนึกซิลิกอนสามารถรับประกันอายุการใช้งานของ LED ได้นานถึง 40,000 ชั่วโมง แต่อุตสาหกรรมอุปกรณ์ให้แสงสว่างก็มีมุมมองที่แตกต่างกัน การอภิปรายหลักคืออายุการใช้งานของหลอดไส้และหลอดฟลูออเรสเซนต์แบบดั้งเดิมถูกกำหนดให้เป็น "ความสว่างลดลงเหลือ 30 เปอร์เซ็นต์หรือน้อยกว่า" หากเวลาฮาล์ฟฟิ่งของ LED คือ 40000 ชั่วโมง หากความสว่างลดลงเหลือน้อยกว่า 30 เปอร์เซ็นต์ เหลือเวลาอีกเพียงประมาณ 20,000 ชั่วโมง ปัจจุบันมีมาตรการรับมือ 2 วิธีในการยืดอายุการใช้งานของส่วนประกอบ ได้แก่:

1. ระงับการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิโดยรวมของไฟ LED สีขาว;

2. หยุดใช้การห่อหุ้มเรซิน

เป็นที่เชื่อกันโดยทั่วไปว่าหากใช้มาตรการยืดอายุสองข้อข้างต้นอย่างถี่ถ้วน ความต้องการความสว่าง 30 เปอร์เซ็นต์สำหรับ 40,000 ชั่วโมงก็สามารถทำได้ เพื่อระงับอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของไฟ LED สีขาว สามารถใช้วิธีการทำความเย็นแผงวงจรพิมพ์บรรจุภัณฑ์ LED ได้ สาเหตุหลักคือเรซินบรรจุภัณฑ์จะเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วภายใต้สภาวะที่มีอุณหภูมิสูงและการฉายรังสีแสงที่แรง ตามกฎของอาร์เรเนียส อายุจะเพิ่มขึ้น 2 เท่า หากอุณหภูมิลดลง 100 องศาเซลเซียส

การหยุดใช้การห่อหุ้มเรซินสามารถขจัดปัจจัยการเสื่อมสภาพได้อย่างสมบูรณ์ เนื่องจากแสงที่เกิดจาก LED จะสะท้อนในเรซินที่ห่อหุ้ม หากคุณใช้รีเฟล็กเตอร์เรซินที่สามารถเปลี่ยนทิศทางของแสงที่ด้านข้างของชิปได้ รีเฟลกเตอร์จะดูดซับแสง ดังนั้นปริมาณแสงที่ถ่ายออกมาจะคมชัด นี่คือเหตุผลหลักว่าทำไมผู้ผลิต LED จึงใช้วัสดุบรรจุภัณฑ์เซรามิกและโลหะอย่างสม่ำเสมอ

มีสองวิธีในการปรับปรุงประสิทธิภาพการส่องสว่างของชิป LED สีขาว หนึ่งคือการใช้ชิป LED ขนาดใหญ่ที่มีพื้นที่มากกว่าชิปขนาดเล็ก 10 เท่า (ประมาณ 1 มม. 2) โมดูลเดียว แม้ว่าชิป LED ขนาดใหญ่สามารถรับลำแสงขนาดใหญ่ได้ แต่การเพิ่มพื้นที่ชิปจะมีข้อเสีย เช่น ขอบเขตทางไฟฟ้าที่ไม่สม่ำเสมอของชั้นเปล่งแสงในชิป ชิ้นส่วนที่เปล่งแสงมีจำกัด และการลดทอนของแสงที่เกิดขึ้นภายในชิปอย่างร้ายแรง เมื่อแผ่ออกไปสู่ภายนอก เพื่อตอบสนองต่อปัญหาข้างต้น ผู้ผลิต LED ได้บรรลุประสิทธิภาพการส่องสว่างที่ 50lm/W โดยการปรับปรุงโครงสร้างอิเล็กโทรด การนำวิธีการบรรจุภัณฑ์แบบฟลิปชิปมาใช้ และการผสานทักษะการประมวลผลพื้นผิวชิป

เกี่ยวกับความเท่าเทียมกันทางไฟฟ้าของชิปทั้งหมด เนื่องจากการปรากฏตัวของอิเล็กโทรด p-type รูปหวีและตาข่าย (ตาข่าย) เมื่อสองหรือสามปีที่แล้ว จำนวนผู้ผลิตที่ใช้วิธีนี้เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องและอิเล็กโทรดก็เช่นกัน พัฒนาไปในทิศทางของการเพิ่มประสิทธิภาพ

เกี่ยวกับวิธีการบรรจุหีบห่อแบบฟลิปชิป เนื่องจากชั้นเปล่งแสงอยู่ใกล้กับปลายบรรจุภัณฑ์ จึงปล่อยความร้อนได้ง่าย และแสงจากชั้นเปล่งแสงจะแผ่ออกสู่ภายนอกโดยไม่มีปัญหาในการหุ้มด้วยอิเล็กโทรด ดังนั้น บริษัท Lumileds ของสหรัฐอเมริกาและประเทศญี่ปุ่น Toyoda Gosei จึงได้นำวิธีการบรรจุแบบชิปพลิกมาใช้อย่างเป็นทางการ ในปี 2548 Matsushita Electric, Matsushita Electric Works และ Toshiba ซึ่งเริ่มผลิต LED ขนาดใหญ่จำนวนมากก็ปฏิบัติตามเช่นกัน Nichia ซึ่งเคยใช้บรรจุภัณฑ์แบบลวดเชื่อม และ LED เฉพาะลูกค้า 50lm/W ที่เปิดตัวในปี 2547 ก็ใช้บรรจุภัณฑ์แบบชิปพลิกเช่นกัน

ในส่วนของการประมวลผลพื้นผิวของชิปนั้น สามารถป้องกันไม่ให้แสงสะท้อนจากด้านในของชิปไปยังด้านนอกของชิปไม่ให้สะท้อนที่ส่วนต่อประสาน ตามที่ผู้ผลิต LED ของญี่ปุ่นระบุว่า เมื่อบรรจุภัณฑ์แบบพลิกชิป หากโครงสร้างเว้า-นูนตั้งอยู่บนพื้นผิวแซฟไฟร์ที่ส่วนการสกัดด้วยแสง การสกัดด้านนอกของชิปจะไม่เกิดขึ้น สามารถเพิ่มลำแสงได้ 30 เปอร์เซ็นต์