高效無金屬散熱器LED照明燈關鍵技術簡述

　　而LED照明的課題看起來十分明確，即在保證光質(zhì)量的前提下光效需要大幅提高，例如比節(jié)能燈高一倍以上;價格需要大幅下降，最好接近節(jié)能燈;使其性價比明顯優(yōu)于節(jié)能燈。

　　目前的LED通用照明燈大多由功率型LED加金屬散熱器和恒流驅(qū)動電路構成。笨重的金屬散熱器不僅增加了燈的成本和重量，同時要消耗大量鋁資源，有悖環(huán)保。一個LED燈就像一個金屬球，不利于安全，特別是大功率LED燈。因此，目前不少消費者購買時還是選擇節(jié)能燈。

　　本文將結合筆者所在公司的研發(fā)工作介紹一種LED 4π出光的高光子提取率、高效率、無金屬散熱器的LED通用照明燈(可以直接替換白熾燈和相當光通量的熒光節(jié)能燈的LED照明燈)技術。

　　該LED通用照明燈的整燈發(fā)光效率比熒光節(jié)能燈高一倍以上;顯色指數(shù)可高達96;可制造光通量為幾十至1600 lm和更高光通量的LED通用照明燈，L70壽命可達30000小時?？芍苯犹鎿Q10～100W和更大功率的白熾燈和相當光通量的熒光節(jié)能燈。

　　一、LED芯片4π出光、提高PN結光提取率和實際光效

　　白光LED發(fā)光過程的能效η為：

　　η =ηI ×ηO × ηC ×K

　　其中，ηI ：內(nèi)量子效率；ηO：外量子效率；ηC：光子下轉(zhuǎn)換損失；K：發(fā)光粉吸收。

　　有人分析，在理想情況下[1]，ηI = 0.95；ηO = 0.5；ηC = 0.875；K =0.95，因此，最高理想的能效η=39.5%。這里的外量子效率ηO 指的是光子在出射過程中被芯片、窗口材料，熒光粉及透鏡等沿途吸收或在不同折射率介質(zhì)界面反射回芯片內(nèi)部再被吸收等的結果，即LED元件的光提取率。若按3500K暖白色光的光功當量為320 lm/W計算，則最高光效為320×0.395=126 lm/W。這顯然是被低估了。但由此我們可以看到提高LED光效的一個重要并有巨大潛力的因數(shù)是提高光提取率。

　　LED的光來自LED芯片的PN結，其發(fā)光原本是4π立體角全方位均勻出射的自然光，但目前幾乎所有的LED元件都是≤2π出光的。

　　LED的應用從初期的指示燈到數(shù)碼顯示和目前的彩色大屏幕顯示、液晶顯示的背照明等，在這些應用中，需要把原本是4π出射的光用反射碗和透鏡等聚集向前方、即轉(zhuǎn)變?yōu)?le;2π出射的光，包括直插式、草帽式、表面貼(SMD)和COB等；這樣的變換對于這些應用是需要的，也是正確的。

　　不過，這樣的變換讓芯片原本向后發(fā)射的光聚集向前方，將明顯降低PN結發(fā)射的光的提取率，即降低了LED的實際有效光效，這對于并不一定要求≤2π出光的LED照明，并不是必需的。如果讓LED芯片4π出光，將可明顯提高LED PN結產(chǎn)生的光子的提取率、即提高LED的實際光效。

　　圖1是目前大量使用的SMD式LED的光出射示意圖。LED芯片被安裝在光反射碗的底部，反射碗內(nèi)有光出射面為平面或曲面的透明介質(zhì)(圖1中為平面的例子)?！　⌒酒琍N結向上發(fā)射的2π立體角光(以藍色表示)的一部分可直接從光出射窗出射，另一部分光經(jīng)透明介質(zhì)表面全反射后經(jīng)反射碗反射或直接經(jīng)反射碗反射后出射。其中，直接出射光約為2π[1-cos(sin-1(1/1.5)]/2π=25%，這里我們設透明介質(zhì)的折射率為1.5，經(jīng)反射碗反射后出射的光占75%，設反射碗反射率為0.75，若不計反射碗多次反射和透明介質(zhì)的吸收損失，則總光提取率為(25+75×0.75)%=81%。

　　LED芯片向下發(fā)射的2π光(以紅色表示)，要經(jīng)過芯片背鍍反射膜、反射碗底、反射碗壁的反射、多次反射、多次碗底和壁的吸收，估計出射率約為60%(取決于反射碗壁和底、電極表面、電極之間介質(zhì)面、固晶膠等的反射率)。

　　因此，LED芯片光的總提取率=(0.81+0.6)2π/4π=71%，即約30%的光被LED元件吸收而變?yōu)闊崮堋?/p>

　　圖2是LED芯片4π出光的示意圖。其中LED芯片為芯片基板是透明的芯片，至少一串相互串聯(lián)或串并聯(lián)的芯片被用透明膠固定在一個LED發(fā)光元件的透明基板上，芯片上覆有透明介質(zhì)層或發(fā)光粉膠層。

　　若芯片基板為藍寶石，藍寶石上的外延層和PN結為GaN，P電極為ITO，LED元件透明基板為玻璃，透明介質(zhì)為硅膠，它們的折射率分別為1.77、2.4、1.8、1.45、1.5，由圖2可見，離開LED芯片PN結向上和向下發(fā)射的各半球2π的光都可以順利出射，藍寶石基板內(nèi)部基本上沒有多次反射吸收，若不計介質(zhì)吸收，LED芯片的光幾乎可100%出射。

　　即4π出光的LED元件的實際發(fā)光效率要比SMD式LED高約(100-71)/71=41%。我們的實驗結果基本與此相符。

　　可見，讓LED芯片4π出光可提高LED元件的實際發(fā)光效率約40%，同時減少LED的發(fā)熱量?？紤]到現(xiàn)有LED元件的不同結構，4π出光應可比≤2π出光的光效高30%以上。

　　其實這個概念幾乎所有LED工作者早就知道，但沒有能實用，其關鍵是沒有能解決LED芯片的散熱問題。

　　二、氣體散熱分析

　　要讓LED芯片4π出光，芯片四周必須是高透光率而且可散熱的透明介質(zhì)。人們很容易首先想到的是用液體散熱，因為透明介質(zhì)中、液體的導熱率一般都比氣體要高得多。例如水的導熱率為0.5 W/(m·K)，是空氣導熱率0.025的20倍。

　　十多年來一直有人在研究用液體散熱來達到LED芯片4π出光，但液體散熱仍有一些難以克服的困難，例如，液體的粘滯系數(shù)比氣體大很多，水的粘粘滯系數(shù)為8937μP，是空氣的10倍，是氦的77倍，高粘滯系數(shù)導致LED芯片周圍很容易因為芯片發(fā)熱使液體相變氣化，而產(chǎn)生的氣體因為液體的高粘滯系數(shù)而難于跑掉，芯片容易被靜止的氣體包圍，而任何靜止的氣體都是良絕熱體，因而容易使芯片過熱而燒毀。此外，還有液體容易電解、侵蝕芯片和發(fā)光材料、泡殼破碎后的污染等問題，至今還沒有很好的實用產(chǎn)品。

　　氣體與液體相比，雖然導熱率低，但粘滯系數(shù)比液體小的多，容易形成氣體對流，有效地把LED工作時產(chǎn)生的熱帶走散發(fā)掉，從而獲得良好的散熱效果。

　　初期，人們把LED芯片安裝在條狀或平板型透明基板上，在空氣中工作，利用空氣散熱。但由于空氣的導熱率低、粘滯系數(shù)高，難以有效散熱。若LED芯片安裝在一個平板上，則熱量集中更不利于散熱，因此難以制成光效高，又能足夠輸出光通量的LED燈。例如，Ushio的LED燈絲燈，輸出光通量僅36 lm，光效僅60 lm/W[2]。又如松下的LED芯片安裝在一透明平板上的空氣散熱的LED燈泡，輸出光通量為210 lm，光效為47 lm/W[3]。這些LED芯片4π出光的LED燈泡的光效反而低于用現(xiàn)有≤2π出光的LED元件制成的LED燈，現(xiàn)有LED芯片出光角≤2π的A19形球泡燈的效率為40～90 lm/W，其原因在于沒有解決LED芯片的有效散熱問題，致使LED芯片的PN結溫升高、光效低，輸出光通量小。

　　筆者所在的公司有效地解決了4π出光芯片的散熱問題[4]，其方案是：把至少一串相同或不同發(fā)光色的LED芯片用透明膠分散固定安裝在一個透明基板條上，芯片和透明基板條四周有至少一層透明膠層或發(fā)光粉層;透明基板二端有電引出線，制成LED發(fā)光條(或稱LED燈絲);所述LED發(fā)光條被安裝在一個真空密封的透光泡殼內(nèi)，泡殼內(nèi)充有高導熱率、低粘滯系數(shù)的傳熱并保護LED的氣體;LED的電極經(jīng)真空密封泡殼的芯柱的引出線引出，經(jīng)LED驅(qū)動器與一電連接器連接，電連接器用于連接外電源，制成一個外形與白熾燈相似、高光效、無金屬散熱器的LED燈絲燈，可直接替換白熾燈和節(jié)能燈。

　　現(xiàn)已制成了整燈光效高達170 lm/W的A19型LED燈泡;其輸出光通量可達760 lm;顯色指數(shù)(CRI)可達96。最近該公司實驗室已制成色溫5000K、CRI為71，光效高達193 lm/W的A19燈。其光效比節(jié)能燈高一倍以上。從而使LED 4π出光、無金屬散熱器的LED燈泡進入了實際使用時代。圖3是銳迪生4條LED發(fā)光條串聯(lián)的LED燈絲燈示意圖。

　　高導熱率低粘滯系數(shù)的氣體優(yōu)選氦或氦氫混合氣。氦的導熱率為0.14 W/(m·K)，是空氣的6倍，粘滯系數(shù)僅194μP[5]，是空氣的1/8;氫的導熱系數(shù)為0.15，粘滯系數(shù)為87.6，且成本低，但使用欠安全;為降低成本，可用氦氫混合氣。高導熱率低粘滯系數(shù)氣體容易形成有效的對流散熱，可以把LED芯片工作時產(chǎn)生的熱很快帶走，傳遞給燈泡的泡殼，再經(jīng)泡殼到周圍空氣散發(fā)掉。

　　其次，采用導熱率較高的發(fā)光條透明基板，例如用硬玻璃、石英玻璃、藍寶石、透明陶瓷、AlN等。同時要采用導熱率高、透光率高的固晶膠和發(fā)光粉膠，并盡可能減小它們的厚度，還要盡量增加透明基板和發(fā)光粉膠與散熱氣體的接觸面積，以降低LED的PN結到散熱氣體的熱阻。所述至少一層發(fā)光粉層可被涂覆在透明基板和LED芯片四周，例如涂覆在發(fā)光條有LED芯片和無芯片二面，或僅在有芯片一面，也可以先在透明基板上涂覆一層發(fā)光粉層，LED芯片被固定在該發(fā)光粉層上、芯片電連接后再涂覆一層發(fā)光粉層。

　　此外，還可以把發(fā)光粉涂覆在燈泡泡殼的內(nèi)壁上，發(fā)光條的LED芯片上僅有一層透明膠，發(fā)光粉遠離芯片，有利于減小光衰，增加燈的使用壽命。

　　我們可以用藍加紅或橙LED芯片以提高CRI，還可以用RBG三基色或多基色LED芯片混合制成白光LED發(fā)光條，而無需用發(fā)光粉。所述芯片也可以是芯片基板背鍍反射膜的或不透明的芯片，所制成的LED發(fā)光條仍為4π出光，但其光效將比芯片基板是透明的要低。所述芯片還可以用倒裝LED芯片，倒裝在印有電連接線的透明基板上制成發(fā)光條，還可用一個芯片上有多個PN結的高壓LED芯片(HVLED)制作發(fā)光條，以減少芯片之間的電連接線，提高成品率和生產(chǎn)效率。

　　這類LED燈絲燈的光效要比現(xiàn)有用≤2π出光的LED元件制成的球泡燈高30%以上，而且無金屬散熱器，可節(jié)省大量鋁，更環(huán)保，重量輕，目前已經(jīng)開始被市場接受，批量生產(chǎn)。

　　然而，也有人擔心它的使用壽命難以達到30000小時或以上，難以制成輸出光通量高于800 lm的大功率LED燈。下文會對此分別敘述。

　　三、壽命分析

　　LED燈壽命主要取決于LED PN結的工作溫度和發(fā)光粉的光衰。

　　圖4所示為目前常用的GaN LED的不同PN結溫的光通量衰減圖[6、7]，圖中標有不同結溫時的L70壽命。由圖可見，若結溫<85℃，L70壽命可達30000小時以上。LED PN結的溫度不容易測量，用主波峰的位移、結電壓變化、紅外成像儀、發(fā)光效率的變化等可以估計PN結的結溫。

　　圖5所示為相對光通量和結溫的關系[7]，由圖5可見，在恒定LED輸入功率的條件下，穩(wěn)定光通量比冷態(tài)光通量下降10%時的結溫為75～85℃。恒定功率條件下光通量的變化，即相對光效的變化。因此我們可以測量燈的初始光效和熱穩(wěn)定后相同輸入功率的穩(wěn)定光效之比來估計LED燈穩(wěn)定工作時PN結的結溫，若此穩(wěn)定光效和初始光效之比≥0.9，由圖4和5可見、燈的壽命估計可達30000小時以上。當然，同時還要計及發(fā)光粉的光衰和其它因數(shù);最后還需要以實際測量來確定。

　　也就是說，LED燈絲燈的設計，應該滿足穩(wěn)定光效和初始光效之比≥0.9的條件，LED燈絲燈才可能有30000小時以上的使用壽命。

　　我們的壽命試驗的實驗結果如圖6所示，該實驗結果是14個穩(wěn)定光效和初始光效之比>0.9的400 lm的LED燈絲燈壽命測試的平均值(Lr)。圖中虛線為能源之星35000小時壽命的光衰曲線，其中1000小時被定義為初始值(100%)。由圖6可見，所述LED燈絲燈的L70壽命有可能達到30000小時以上。

　　現(xiàn)在我們再來看一看燈泡中充高導熱率低粘滯系數(shù)氣體的重要性。圖7所示為同一個3.9W的LED燈絲燈，在充有室溫下近一個大氣壓的氦氣和折斷排氣管放入空氣后，在相同輸入功率條件下，光效隨時間的變化。圖中上面一條曲線為充有氦的測試結果，下面一條曲線為相同測試條件下，放入空氣后的測試結果。由圖可見，在充有氦氣時，穩(wěn)定光效與初始光效之比>0.9，對照圖4和5、其PN結的結溫<85℃，預計壽命可大于30000小時。

　　然而一旦放入空氣，不僅其穩(wěn)定光效降低了19%，其穩(wěn)定光效與初始光效之比下降到<0.75，對照圖5，其PN結的結溫>150℃! 顯然已經(jīng)難以正常工作了。這里可以明顯看到充高導熱率、低粘滯系數(shù)氣體的重要性，也說明了充空氣的LED燈絲燈發(fā)光效率低、光通量小的原因。

　　此外，假設LED燈泡壽命長達30000小時，若以每天工作3小時計，長達20多年的工作期間保持泡殼內(nèi)氣體的純度，泡殼必須真空密封，用現(xiàn)有的有機或無機膠密封都不可能長時間保持其氣體的純度。真空密封還可以完全隔離周圍環(huán)境對LED元件的影響，LED可以在完全沒有周圍空氣中的水汽、酸、硫化物、氧、PM2.5等的影響下工作，更有可能使用壽命長達20年以上。

　　四、陶瓷管LED燈分析

　　此前，有人預言、LED燈絲燈只能制造500 lm以下的小功率燈。這樣的預言不是沒有道理，因為由LED燈絲(發(fā)光條)組裝而成的燈絲燈，由于受到LED燈絲與散熱氣體接觸面積小、散熱面積小、熱阻大的限制，單燈的輸出光通量確實難以做到>800 lm。

　　而半導體照明的目標是要替代10～150W通用的白熾燈和與它相當光通量的熒光節(jié)能燈。實際上也只有這樣，半導體照明才能成為通用照明的主流。參照美國能源之星，40W、60W、75W、100W、150W白熾燈的初始輸出光通量分別為450、800、1100、1600和2600 lm。

　　如何制成光通量為800～2600 lm的大功率無金屬散熱器LED照明燈?其關鍵在于：在保持LED 4π出光、高效率、低發(fā)熱的基礎上，進一步提高LED的散熱面積，減小LED PN結到燈周圍散熱空氣的熱阻和進一步提高泡殼的散熱能力。

　　銳迪生解決這個問題的技術方案是[8]：把LED發(fā)光條或LED芯片直接緊貼在一個高導熱率的透明管的外壁上，所述透明管，例如為透明陶瓷管、石英管、藍寶石管等，透明陶瓷管具有高達23 W/(m·K)的導熱率、高達95%以上的總透光率，其導熱率接近芯片基板藍寶石，它的內(nèi)、外表面都與散熱氣體接觸和散熱，大大增加了LED的散熱面積、降低了LED芯片PN結到散熱氣體的熱阻。

　　圖8所示為用上述透明陶瓷管LED發(fā)光柱制成的A19 LED燈泡的示意圖。如圖所示，LED發(fā)光條被固定在一個透明陶瓷管的外表面上，泡殼芯柱上的玻璃柱上端有一彈簧或支架把陶瓷管上端固定，陶瓷管的下端與芯柱的引出線連接并固定，芯柱引出線與燈的驅(qū)動器輸出連接，驅(qū)動器的輸入與燈頭連接，燈頭用于連接外電源，接通外電源即可點亮LED燈。

　　圖9和10為兩種不同結構的LED發(fā)光柱的截面示意圖。圖9為LED發(fā)光條粘貼在透明陶瓷管外表面的LED發(fā)光柱的示意圖。圖10為LED芯片直接固晶在陶瓷管上的LED發(fā)光柱的示意圖。

　　如圖9所示，至少一條LED發(fā)光條被用透明膠固定在透明陶瓷管外表面上，圖中是有4條發(fā)光條的例子。透明陶瓷管上有供安裝發(fā)光條的平面，各發(fā)光條相互串聯(lián)或串并聯(lián)。

　　圖10為LED芯片直接固定在透明陶瓷管上的例子。LED芯片被用透明膠固定在預先涂覆有發(fā)光粉層的陶瓷管平面上，也可用混合有發(fā)光粉的固晶膠固定在透明陶瓷管的平面上。

　　圖10所示為LED芯片固定在陶瓷管外表面上的第一發(fā)光粉層上的例子，LED芯片上覆蓋有第二發(fā)光粉層。LED芯片經(jīng)一薄發(fā)光粉層被直接固定在高導熱率陶瓷管上，其間沒有透明基板，僅有一薄層粉膠，芯片的藍寶石基板基本上直接與陶瓷管接觸，熱阻很小，進一步降低了LED的PN結與散熱氣體之間的熱阻，即可降低PN結的工作溫度，可提高LED芯片的工作電流和功率，提高輸出光通量。同時，還可以用較大功率的中功率LED芯片，以減少LED發(fā)光條的數(shù)量和LED芯片的數(shù)量，減少固晶和打線數(shù)，提高生產(chǎn)效率、成品率和可靠性，必要時還可打雙線、以進一步提高可靠性。

　　如圖9和10所示的把發(fā)光條或芯片直接固定在高導熱率管上，還可保持各發(fā)光條和各芯片基本上處于相同的工作溫度，從而可降低因個別芯片溫升過高而導致整燈失效的幾率，以提高燈的可靠性。

　　圖9和10所示的LED發(fā)光柱的結構還可有多種變換，例如，用不同結構的發(fā)光條;LED芯片可以是有背鍍反射膜的或不透明的芯片;LED芯片可用藍加紅或橙LED芯片以提高CRI;也可以用RGB三基色或多基色LED芯片混合制成白光LED發(fā)光柱，而無需用發(fā)光粉;也可用倒裝LED芯片;還可用HVLED芯片;發(fā)光粉也可被涂布在燈泡的泡殼內(nèi)壁上等。

　　用上述方法可有效提高單燈的燈功率和輸出光通量。但整燈的最后散熱仍取決于泡殼與周圍空氣的熱交換，LED發(fā)光柱位于泡殼的中央，泡殼與周圍空氣的接觸面積有限，即使用直徑較大的陶瓷管，也難以制成更大輸出光通量的LED通用照明燈。

　　五、 大功率多管燈分析

　　銳迪生用多管燈方案突破了瓶頸[9]，使800～1600lm和更高流明的無金屬散熱器LED照明燈得以實現(xiàn)。這類多管燈相當于把單燈的泡殼劈開，分成幾個，各燈管之間有讓空氣自由流動的間隙，容易形成空氣對流，使各燈管都可有效散熱，大大增加了燈管與周圍空氣的熱交換散熱能力，從而可提高燈功率和輸出光通量。

　　多管燈的散熱方案可稱為管內(nèi)氣體對流散熱和各燈管之間空氣對流散熱的雙重對流散熱技術，能制成體積小、輸出光通量更高的無金屬散熱器的LED通用照明燈。目前已經(jīng)研制成了光通量為800～1600 lm的多管陶瓷管LED燈和光通量高達4000 lm的實驗樣燈。

　　圖11所示為一個輸出光通量為1600 lm 的4管LED燈的例子。其每一燈管各自真空密封并充有高導熱率、低粘滯系數(shù)的散熱保護氣體，每個燈管內(nèi)各有一個透明陶瓷管LED發(fā)光柱;各LED燈管各自恒流或限流驅(qū)動，可避免各燈管因LED電流與溫度正反饋引起的光衰不一致的問題，保證各燈管光衰一致和長使用壽命。

　　現(xiàn)已制成2管、3管和4管T5的大功率LED燈。其5000K色溫的多管燈的典型參數(shù)為：

　　2管燈：850lm，6.4W，133 lm/W，CRI:81;燈高:110mm，最大直徑:40mm，重量:58g;

　　3管燈：1250lm，9.3W，134 lm/W，CRI:82;燈高:110mm，最大直徑:48mm，重量:64g;

　　4管燈：1630lm，12.2W，134 lm/W，CRI:81;燈高:110mm，最大直徑:52mm，重量:70g;

　　可見，6.4W 2管燈相當于60W白熾燈;12.2W 4管燈相當于100W白熾燈。整燈光效都在130lm/W以上，無金屬散熱器，體積小，重量輕。銳迪生的多管燈容易用改變燈管數(shù)量、燈管和陶瓷管尺寸的方式來制成不同功率的大功率LED照明燈。

　　六、總結

　　LED芯片4π出光的光效比現(xiàn)有≤2π出光的LED高30%以上，用高導熱率低粘滯系數(shù)氣體散熱，可制成高效率的小功率LED燈絲燈;用高導熱率的透明管LED發(fā)光柱可進一步提高散熱能力，制成更大輸出光通量的LED陶瓷管燈;用雙重氣體對流散熱技術的多管LED可制成800-1600 lm和更高光通量的LED通用照明燈。其整燈光效比節(jié)能燈高一倍以上、無金屬散熱器、成本低、重量輕、壽命長、可替代10-100W和更高功率白熾燈和相當光通量的節(jié)能燈。是新一代LED通用照明燈。由于其光效高、結構簡單、成本低，將有助于促進半導體照明替代白熾燈和節(jié)能燈、成為通用照明的主流的時代的來臨。