過去LED業(yè)者為了獲利充分的白光LED光束，曾經(jīng)開發(fā)大尺寸LED芯片試圖借此方式達(dá)成預(yù)期目標(biāo),，不過實(shí)際上白光LED的施加電力持續(xù)超過1W以上時(shí)光束反而會(huì)下降,，發(fā)光效率則相對(duì)降低20～30％，換句話說白光LED的亮度如果要比傳統(tǒng)LED大數(shù)倍,，消費(fèi)電力特性希望超越熒光燈的話,，就必需先克服下列的四大課題:a.抑制溫升；b.確保使用壽命,；c.改善發(fā)光效率,；d.發(fā)光特性均等化。
有關(guān)溫升問題具體方法是降低封裝的熱阻抗,；維持LED的使用壽命具體方法,，是改善芯片外形、采用小型芯片,；改善LED的發(fā)光效率具體方法是改善芯片結(jié)構(gòu),、采用小型芯片；至于發(fā)光特性均勻化具體方法是LED的改善封裝方法,，一般認(rèn)為2005～2006年白光LED可望開始采用上述對(duì)策,。
開發(fā)經(jīng)緯增加電力反而會(huì)造成封裝的熱阻抗急遽降至10K/W以下，因此國(guó)外業(yè)者曾經(jīng)開發(fā)耐高溫白光LED試圖借此改善上述問題,，然而實(shí)際上大功率LED的發(fā)熱量卻比小功率LED高數(shù)十倍以上,，而且溫升還會(huì)使發(fā)光效率大幅下跌，即使封裝技術(shù)允許高熱量不過LED芯片的接合溫度卻有可能超過容許值,，最后業(yè)者終于領(lǐng)悟到解決封裝的散熱問題才是根本方法,。
有關(guān)LED的使用壽命，例如改用硅質(zhì)密封材料與陶瓷封裝材料,，能使LED的使用壽命提高10％,，尤其是白光LED的發(fā)光頻譜含有波長(zhǎng)低于450nm短波長(zhǎng)光線，傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂密封材料極易被短波長(zhǎng)光線破壞,，高功率白光LED的大光量更加速密封材料的劣化,，根據(jù)業(yè)者測(cè)試結(jié)果顯示連續(xù)點(diǎn)燈不到一萬(wàn)小時(shí)，高功率白光LED的亮度已經(jīng)降低一半以上,，根本無法滿足照明光源長(zhǎng)壽命的基本要求,。
有關(guān)LED的發(fā)光效率，改善芯片結(jié)構(gòu)與封裝結(jié)構(gòu)，都可以達(dá)到與低功率白光LED相同水準(zhǔn),，主要原因是電流密度提高2倍以上時(shí),，不但不容易從大型芯片取出光線，結(jié)果反而會(huì)造成發(fā)光效率不如低功率白光LED的窘境,，如果改善芯片的電極構(gòu)造,，理論上就可以解決上述取光問題。
有關(guān)發(fā)光特性均勻性,，一般認(rèn)為只要改善白光LED的熒光體材料濃度均勻性,，與熒光體的制作技術(shù)應(yīng)該可以克服上述困擾。
如上所述提高施加電力的同時(shí),，必需設(shè)法減少熱阻抗,、改善散熱問題，具體內(nèi)容分別是:
?、俳档托酒椒庋b的熱阻抗
?、谝种品庋b至印刷電路基板的熱阻抗
③提高芯片的散熱順暢性
為了要降低熱阻抗,，許多國(guó)外LED廠商將LED芯片設(shè)在銅與陶瓷材料制成的散熱鰭片(heat sink)表面,，接著再用焊接方式將印刷電路板上散熱用導(dǎo)線，連接到利用冷卻風(fēng)扇強(qiáng)制空冷的散熱鰭片上,，根據(jù)德國(guó)OSRAM Opto Semiconductors Gmb實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí),，上述結(jié)構(gòu)的LED芯片到焊接點(diǎn)的熱阻抗可以降低9K/W，大約是傳統(tǒng)LED的1/6左右,，封裝后的LED施加2W的電力時(shí),，LED芯片的接合溫度比焊接點(diǎn)高18K，即使印刷電路板溫度上升到500C,，接合溫度頂多只有700C左右；相較之下以往熱阻抗一旦降低的話,，LED芯片的接合溫度就會(huì)受到印刷電路板溫度的影響,，如此一來必需設(shè)法降低LED芯片的溫度，換句話說降低LED芯片到焊接點(diǎn)的熱阻抗,，可以有效減輕LED芯片降溫作業(yè)的負(fù)擔(dān),。反過來說即使白光LED具備抑制熱阻抗的結(jié)構(gòu)，如果熱量無法從封裝傳導(dǎo)到印刷電路板的話,，LED溫度上升的結(jié)果發(fā)光效率會(huì)急遽下跌,，因此松下電工開發(fā)印刷電路板與封裝一體化技術(shù)，該公司將1mm正方的藍(lán)光LED以flip chip方式封裝在陶瓷基板上,，接著再將陶瓷基板粘貼在銅質(zhì)印刷電路板表面,，根據(jù)松下表示包含印刷電路板在內(nèi)模塊整體的熱阻抗大約是15K/W左右。
由于散熱鰭片與印刷電路板之間的密著性直接左右熱傳導(dǎo)效果，因此印刷電路板的設(shè)計(jì)變得非常復(fù)雜,，有鑒于此美國(guó)Lumileds與日本CITIZEN等照明設(shè)備,、LED封裝廠商，相繼開發(fā)高功率LED用簡(jiǎn)易散熱技術(shù),，CITIZEN公司2004年開始樣品出貨的白光LED封裝,，不需要特殊接合技術(shù)也能夠?qū)⒑窦s2～3mm散熱鰭片的熱量直接排放到外部，根據(jù)該公司表示雖然LED芯片的接合點(diǎn)到散熱鰭片的30K/W熱阻抗比OSRAM的9K/W大,，而且在一般環(huán)境下室溫會(huì)使熱阻抗增加1W左右,，不過即使是傳統(tǒng)印刷電路板無冷卻風(fēng)扇強(qiáng)制空冷狀態(tài)下，該白光LED模塊也可以連續(xù)點(diǎn)燈使用,。
Lumileds公司2005年開始樣品出貨的高功率LED芯片,，接合容許溫度更高達(dá)+1850C，比其它公司同級(jí)產(chǎn)品高600C,，利用傳統(tǒng)RF4印刷電路板封裝時(shí),，周圍環(huán)境溫度400C范圍內(nèi)可以輸入相當(dāng)于1.5W電力的電流(大約是400mA) 。
如以上介紹Lumileds與CITIZEN公司采取提高接合點(diǎn)容許溫度,，德國(guó)OSRAM公司則是將LED芯片設(shè)在散熱鰭片表面,，達(dá)成9K/W超低熱阻抗記錄，該記錄比OSRAM過去開發(fā)同級(jí)品的熱阻抗減少40％,，值得一提是該LED模塊封裝時(shí),，采用與傳統(tǒng)方法相同的flip chip方式，不過LED模塊與熱鰭片接合時(shí),，則選擇最接近LED芯片發(fā)光層作為接合面,，借此使發(fā)光層的熱量能夠以最短距離傳導(dǎo)排放。
2003年?yáng)|芝Lighting公司曾經(jīng)在400mm正方的鋁合金表面,，鋪設(shè)發(fā)光效率為60lm/W低熱阻抗白光LED,，無冷卻風(fēng)扇等特殊散熱組件前提下，試作光束為300lm的LED模塊,，由于東芝Lighting公司擁有豐富的試作經(jīng)驗(yàn),，因此該公司表示由于仿真分析技術(shù)的進(jìn)步，2006年之后超過60lm/W的白光LED,，都可以輕松利用燈具,、框體提高熱傳導(dǎo)性，或是利用冷卻風(fēng)扇強(qiáng)制空冷方式設(shè)計(jì)照明設(shè)備的散熱,，不需要特殊散熱技術(shù)的模塊結(jié)構(gòu)也能夠使用白光LED,。
有關(guān)LED的長(zhǎng)壽化，目前LED廠商采取的對(duì)策是變更密封材料,，同時(shí)將熒光材料分散在密封材料內(nèi),，尤其是硅質(zhì)密封材料比傳統(tǒng)藍(lán)光、近紫外光LED芯片上方環(huán)氧樹脂密封材料，可以更有效抑制材質(zhì)劣化與光線穿透率降低的速度,。
由于環(huán)氧樹脂吸收波長(zhǎng)為400～450nm的光線的百分比高達(dá)45％,，硅質(zhì)密封材料則低于1％，輝度減半的時(shí)間環(huán)氧樹脂不到一萬(wàn)小時(shí),，硅質(zhì)密封材料可以延長(zhǎng)到四萬(wàn)小時(shí)左右,，幾乎與照明設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命相同，這意味著照明設(shè)備使用期間不需更換白光LED,。不過硅質(zhì)樹脂屬于高彈性柔軟材料,，加工上必需使用不會(huì)刮傷硅質(zhì)樹脂表面的制作技術(shù)，此外制程上硅質(zhì)樹脂極易附著粉屑,，因此未來必需開發(fā)可以改善表面特性的技術(shù),。
雖然硅質(zhì)密封材料可以確保LED四萬(wàn)小時(shí)的使用壽命，然而照明設(shè)備業(yè)者卻出現(xiàn)不同的看法,，主要爭(zhēng)論是傳統(tǒng)白熾燈與熒光燈的使用壽命,，被定義成“亮度降至30％以下”，亮度減半時(shí)間為四萬(wàn)小時(shí)的LED,，若換算成亮度降至30％以下的話,，大約只剩二萬(wàn)小時(shí)左右。目前有兩種延長(zhǎng)組件使用壽命的對(duì)策,，分別是:
1,、抑制白光LED整體的溫升；
2,、停止使用樹脂封裝方式,。
一般認(rèn)為如果徹底執(zhí)行以上兩項(xiàng)延壽對(duì)策，可以達(dá)成亮度30％四萬(wàn)小時(shí)的要求,。抑制白光LED溫升可以采用冷卻LED封裝印刷電路板的方法,，主要原因是封裝樹脂高溫狀態(tài)下，加上強(qiáng)光照射會(huì)快速劣化,，依照阿雷紐斯法則溫度降低100C壽命會(huì)延長(zhǎng)2倍,。
停止使用樹脂封裝可以徹底消滅劣化因素，因?yàn)長(zhǎng)ED產(chǎn)生的光線在封裝樹脂內(nèi)反射,，如果使用可以改變芯片側(cè)面光線行進(jìn)方向的樹脂材質(zhì)反射板，由于反射板會(huì)吸收光線,，所以光線的取出量會(huì)急遽銳減,，這也是LED廠商一致采用陶瓷系與金屬系封裝材料主要原因。
有兩種方法可以改善白光LED芯片的發(fā)光效率,，一個(gè)是使用面積比小型芯片(1mm2左右)大10倍的大型LED芯片,；另外一種方式是利用多個(gè)小型高發(fā)光效率LED芯片，組合成一個(gè)單體模塊。雖然大型LED芯片可以獲得大光束,，不過加大芯片面積會(huì)有弊害,，例如芯片內(nèi)發(fā)光層的電界不均等、發(fā)光部位受到局限,、芯片內(nèi)部產(chǎn)生的光線放射到外部過程會(huì)嚴(yán)重衰減等等,。針對(duì)以上問題LED廠商透過電極結(jié)構(gòu)的改良、采用flip chip封裝方式,，同時(shí)整合芯片表面加工技巧,，目前已經(jīng)達(dá)成50lm/W的發(fā)光效率。
有關(guān)芯片整體的電界均等性,，自從2,、3年前出現(xiàn)梳子狀與網(wǎng)格狀(mesh)p型電極之后，采用這種方式的廠商不斷增加,，而且電極也朝最佳化方向發(fā)展,。
有關(guān)flip chip封裝方式，由于發(fā)光層貼近封裝端極易排放熱量,，加上發(fā)光層的光線放射到外部時(shí)無電極遮蔽的困擾,，所以美國(guó)Lumileds與日本豐田合成已經(jīng)正式采用flip chip封裝方式，2005年開始量產(chǎn)大型LED的松下電器/松下電工與東芝也陸續(xù)跟進(jìn),，以往采用wire bonding封裝方式的日亞化學(xué),，2004年發(fā)表的50lm/W客戶專用品LED，也是采用flip chip封裝方式,。
有關(guān)芯片表面加工,，它可以防止光線從芯片內(nèi)部朝芯片外部放射時(shí)在界面發(fā)生反射，根據(jù)日本某LED廠商表示flip chip封裝時(shí),，若在光線取出部位藍(lán)寶石基板上設(shè)置凹凸?fàn)罱Y(jié)構(gòu),，芯片外部的取出光束可以提高30％。