解析大功率白光LED散热与寿命问题

　　在众多环保光源应用方案中，LED是相对其他光源方案更为节能、便于组装设计的一种光源技术，其中，在照明光源应用中，大功率白光LED使用则为最频繁的发光元器件，但白光LED虽在发光效率、单颗功率各方面表现均有研发进展，实际上白光LED仍存在发光均匀性、封装材料寿命等问题，尤其在芯片散热的应用限制，则为开发LED光源应用首要必须改善的问题。
　　大功率白光LED应用于日常照明用途，其实在环保光源日益受到重视后，已经成为开发环保光源的首要选择。但实际上白光LED仍有许多技术上的瓶颈尚待克服，目前已有相关改善方案，用以强化白光LED在发光均匀性、封装材料寿命、散热强化等各方面设计瓶颈，进行重点功能与效能之改善。
　　环保光源需求增加大功率白光LED应用出线
　　LED光源受到青睐的主因，不外乎产品寿命长、光-电转换效率高、材料特性可在任意平面进行嵌装等特性。但在发展日常照明光源方面，由于需达到实用的“照明”需求，原以指示用途的LED就无法直接对应照明应用，必须从芯片、封装、载板、制作技术与外部电路各方面进行强化，才能达到照明用途所需的大功率、高亮度照明效用。
　　就市场需求层面观察，针对照明应用市场开发的白光LED，可以说是未来用量较高的产品项目，但为达到使用效用，白光LED必须针对照明应用进行重点功能改善。其一是针对LED芯片进行强化，例如，增加其光-电转换效率，或是加大芯片面积，让单个LED的发光量(光通量)达到其设计极限。其二，属于较折衷的设计方案，若在持续加大单片LED芯片面积较困难的前提下，改用多片LED芯片封装在同一个光源模组，也是可以达到接近前述方法的实用技术方案。
　　以多芯片封装满足低成本、高亮度设计要求
　　就产业实务需求检视，碍于量产弹性、设计难度与控制产品良率／成本问题，LED芯片持续加大会碰到成本与良率的设计瓶颈。一昧的加大芯片面积可能会碰到的设计困难，并非技术上与生产技术办不到，而是在成本与效益考量上，大面积之LED芯片成本较高，而且对于实际制造需求的变更设计弹性较低。
　　反而是利用多片芯片的整合封装方式，让多片LED小芯片在载板上的等距排列，利用打线连接各芯片、搭配光学封装材料的整体封装，形成一光源模组产品，而多片封装可以在进行芯片测试后，利用二次加工整合成一个等效大芯片的光源模组，但却在制作弹性上较单片设计LED光源用元件要更具弹性。
　　同时，多片之LED芯片模组解决方案，其生产成本也可因为芯片成本而大幅降低，等于在获得单片式设计方案同等光通量下，拥有成本更低的开发选项。
　　多芯片整合光源模组仍需考量成本效益最大化
　　另一个发展方向，是将LED芯片面积持续增大，透过大面积获得高亮度、高光通量输出效果。但过大的LED芯片面积也会出现不如设计预期之问题，常见的改进方案为修改复晶的结构，在芯片表面进行制作改善；但相关改善方案也容易影响芯片本身的散热效率，尤其在光源应用的LED模组，大多要求在大功率下驱动以获得更高的光通量，这会造成芯片进行发光过程中芯片接面所汇集的高热不容易消散，影响模组产品的应用弹性与主／被动散热设计方案。
　　一般设计方案中，据分析采行7mm2的芯片尺寸，其发光效率为最佳，但7mm2大型芯片在良率与光表现控制较不易，成本也相对较高；反而使用多片式芯片，如4片或8片小功率芯片，进行二次加工于载板搭配封装材料形成一LED光源模组，是较能快速开发所需亮度、功率表现之LED光源模组产品的设计方案。
　　例如Philips、OSRAM、CREE等光源产品制造商，就推出整合4、8片或更多小型LED芯片封装之LED光源模组产品。但这类利用多片LED芯片架构的高亮度元件方案也引起了一些设计问题，例如：多颗LED芯片组合封装即必须搭配内置绝缘材料，用以避免各别LED芯片短路现象；这样的制程相对于单片式设计多了许多程序，因此即使能较单片式方案节省成本，也会因额外绝缘材料制程而缩小了两种方案的成本差距。
　　应用芯片表面制程改善也可强化LED光输出量
　　除了增加芯片面积或数量是最直接的方法外，也有另一种针对芯片本身材料特性的发光效能改善。例如，可在LED蓝宝石基板上制作不平坦的表面结构，利用此一凹凸不规则之设计表面强化LED光输出量，即为在芯片表面建立Texture表面结晶架构。