基于提高LED光源耐溫性能的實(shí)驗(yàn)探討(一)

　作者：汪峰

　　編者按

　　LED光衰是業(yè)界共同關(guān)心急待解決的技術(shù)難題，本文作者從理論和實(shí)踐作了深入分析研究。對(duì)LED常用技術(shù)術(shù)語(yǔ)作了精細(xì)而獨(dú)到的闡述，無(wú)論正確與否，討論這些技術(shù)術(shù)語(yǔ)無(wú)疑這對(duì)規(guī)范LED技術(shù)用語(yǔ)定義和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)建立大有裨益。作者提出了提高LED光源耐溫特性可降低LED光衰并運(yùn)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合技術(shù)治理LED光衰的設(shè)計(jì)思路，具有前瞻性和創(chuàng)新性，希望引起業(yè)界關(guān)注和討論。我們也期待作者的新技術(shù)產(chǎn)品盡早上市。

　　前言

　　半導(dǎo)體照明是本世紀(jì)一場(chǎng)技術(shù)革命，從技術(shù)成熟角度看它還是個(gè)嬰兒，雖然LED大功率白光技術(shù)發(fā)展很快，然而LED光衰、散熱、成本這三個(gè)與生俱來(lái)的痼疾仍然是LED照明普及發(fā)展的攔路虎。LED光衰、散熱貫穿了從芯片制造、封裝制程、材料選擇、燈具開(kāi)發(fā)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，目前業(yè)界對(duì)光衰的概念、產(chǎn)生的原因以及如何解決還認(rèn)識(shí)不足，理論尚無(wú)權(quán)威解釋?zhuān)瑖?guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)難以出臺(tái)，以致出現(xiàn)人云亦云、你抄我搬稀奇古怪的技術(shù)亂象，長(zhǎng)期以來(lái)人們拼命圍繞用散熱方法來(lái)減少LED光衰，然而見(jiàn)效甚微。解決LED光衰成為業(yè)界共同關(guān)心、翹首以待的技術(shù)難題,人們不禁要問(wèn)：設(shè)計(jì)師為何不另辟蹊徑從源頭深入尋找LED光衰原因？筆者對(duì)提高LED光源的耐溫特性可減少LED光衰從理論和實(shí)踐進(jìn)行了深入探討，將陸續(xù)推出相關(guān)文章和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

　　關(guān)鍵詞

　　LED光效、LED熱阻、LED光衰、WFCOB光源、LED模組照明燈

　　目錄

　　第一章

　　一、 LED光效：區(qū)分瞬態(tài)光效和穩(wěn)態(tài)光效的意義

　　二、 LED熱阻：區(qū)分光源內(nèi)部熱阻和光源外部熱阻的意義

　　三、LED光衰：光衰是光源部件超過(guò)耐溫極限不可逆的損傷現(xiàn)象。

　　第二章

　　一、提高LED光源的耐溫特性可減少LED光衰

　　二、為何要提高LED光源的耐溫度特性

　　三、如何讓LED光源耐受高溫

　　第三章

　　一、集成光源墓基板和鋁基板完全沒(méi)必要做到3750V耐壓

　　二、LED驅(qū)動(dòng)電源可否用液冷技術(shù)解決這塊短板

　　第四章

　　介紹一種WFCOB光源

　　第五章

　　介紹一種LED模組照明燈

　　第一章

　　一、LED光效

　　LED光源發(fā)出的光通量(lm)除以光源所消耗的功率(W)稱(chēng)為L(zhǎng)ED光效，單位lm/W。

　　區(qū)分瞬態(tài)光效和穩(wěn)態(tài)光效的意義

　　LED瞬態(tài)光效是指LED光源開(kāi)始工作時(shí)的發(fā)光效率，也稱(chēng)初始冷態(tài)光效，它是被測(cè)光源施加一定短脈沖電流所測(cè)得的瞬間光通量，測(cè)量時(shí)通常給出大于芯片而小于基板的發(fā)熱時(shí)間常數(shù)，所加熱脈沖寬度通常在1-幾十ms。

　　瞬態(tài)光效是LED光源短時(shí)間的光_電轉(zhuǎn)換特性，它與芯片和熒光粉量子激發(fā)能力、膠體折射率、透光率、支架結(jié)構(gòu)(反光杯)反光率等條件有關(guān)，與芯片結(jié)溫基本無(wú)關(guān)。它只有測(cè)量對(duì)比意義，瞬態(tài)光效不能代表實(shí)際工作狀態(tài)。

　　穩(wěn)態(tài)光效是指LED光源工作一段時(shí)間進(jìn)入熱穩(wěn)定后，芯片結(jié)溫不再上升、光強(qiáng)不再變化時(shí)所測(cè)出的光通量與電功率之比。穩(wěn)態(tài)光效是指LED整體燈具除了驅(qū)動(dòng)電源以外的系統(tǒng)光效，它反映LED實(shí)際工作的光、電、熱綜合特性。穩(wěn)態(tài)光效包括除LED瞬態(tài)光、電特性外，還包括系統(tǒng)傳熱、散熱的溫度變化狀態(tài)，也稱(chēng)系統(tǒng)光,是整體燈具真實(shí)工作效率。

　　二、LED熱阻

　　1. LED熱阻

　　熱阻通常是指熱流通過(guò)物體時(shí)的阻力。是由物質(zhì)材料的本質(zhì)所決定的。熱阻的大小和熱流通過(guò)的路徑長(zhǎng)度成正比，和路徑的截面積成反比，和材料的導(dǎo)熱系數(shù)成反比。即：

　　Rth=L/Sλ

　　2. 區(qū)分光源內(nèi)部熱阻和光源外部熱阻的意義

　　對(duì)系統(tǒng)而言， LED熱阻包括：光源內(nèi)部熱阻和光源外部熱阻見(jiàn)圖1。

　　光源內(nèi)部熱阻

　　光源內(nèi)部熱阻也稱(chēng)封裝熱阻，包括：

　?。?）LED芯片材料自身的熱阻，RL1。

　?。?）芯片和基板(熱沉)粘接熱阻，RL2。

　　（3）基板傳導(dǎo)熱阻RL3 ，

　?。?）灌封膠體熱阻，RL4。

　　（5）透鏡熱阻，RL5。

　　光源外部熱阻包括：

　　（1）熱沉下層的導(dǎo)熱硅膠熱阻，RO1。

　?。?）覆銅板熱阻，RO2。

　?。?）覆銅板與鋁基板之間的絕緣薄膜熱阻，RO3。

　?。?）鋁基板熱阻，RO4。

　?。?）鋁基板與散熱器之間的導(dǎo)熱硅膠產(chǎn)生熱阻，RO5。

　?。?）散熱器熱阻，RO6。

　　應(yīng)用中光源內(nèi)部熱阻即封裝熱阻，它關(guān)系到光衰和壽命是衡量光源品質(zhì)的重要指標(biāo)，對(duì)燈具用戶(hù)來(lái)說(shuō)是無(wú)法改變的，亦即系統(tǒng)設(shè)計(jì)無(wú)計(jì)可施。系統(tǒng)光效與系統(tǒng)熱阻成反比，熱阻越低，光效越高。

　　3, 用穩(wěn)態(tài)光效和瞬態(tài)光效之比來(lái)衡量系統(tǒng)的光熱特性

　　目前LED光源熱阻測(cè)量國(guó)家尚未出臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)，通常依照普通半導(dǎo)體器件的熱阻測(cè)量方法采用電壓測(cè)量法，先測(cè)出K值，再計(jì)算岀某位置到PN結(jié)的熱阻。還有光譜法、光熱阻掃描法及光功率法。由于測(cè)量程序復(fù)雜，難以規(guī)范，因此仍然應(yīng)用不廣。人們從傳熱學(xué)引入LED“熱阻”一詞無(wú)非是希望能通過(guò)測(cè)量找出光源和燈具每個(gè)節(jié)點(diǎn)溫升狀況，以便將光源溫度工作設(shè)計(jì)在安全范圍內(nèi),減少LED光衰。其實(shí)，測(cè)試結(jié)溫及計(jì)算熱阻目的意義僅在于對(duì)比系統(tǒng)傳熱性能，以便優(yōu)化散熱/成本比，這無(wú)需拐彎抹角去反復(fù)測(cè)量和計(jì)算，操作復(fù)雜還不夠準(zhǔn)確。本人建議只要在LED燈具系統(tǒng)中測(cè)量各級(jí)傳熱通路的溫度差即可表現(xiàn)出來(lái)的它們之間熱阻大小，亦即用“節(jié)點(diǎn)溫差”去理解“熱阻”。筆者建議用穩(wěn)態(tài)光效和瞬態(tài)光效之比來(lái)衡量系統(tǒng)的光熱特性。測(cè)量方法：首先測(cè)量岀瞬態(tài)光效。當(dāng)系統(tǒng)工作進(jìn)入熱穩(wěn)定之后，光源溫度不再上升、光強(qiáng)不再下降而相對(duì)穩(wěn)定之后測(cè)出穩(wěn)態(tài)光效，用穩(wěn)態(tài)光效除以瞬態(tài)光效即是穩(wěn)態(tài)光效和瞬態(tài)光效之比，根據(jù)熱阻與光效成反比的關(guān)系，其比值大小即可看出不同燈具的系統(tǒng)光效或熱阻的高低好壞，注意通常測(cè)量要排除電源影響。比如：兩個(gè)不同的路燈A和B，分別測(cè)出它們瞬態(tài)光效和穩(wěn)態(tài)光效之比，A=95%，B=90% ,即可認(rèn)定A好于B 這種測(cè)試方法簡(jiǎn)單易操作，筆者建議經(jīng)過(guò)大家討論和完善將該測(cè)量方法推薦行業(yè)測(cè)量規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中。

　　三、LED光衰

　　1, LED光衰：LED光衰是指LED經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的點(diǎn)亮之后，其光強(qiáng)比初始光強(qiáng)會(huì)降低，且不能恢復(fù)，即降低的部分稱(chēng)為L(zhǎng)ED的光衰。目前我國(guó)尚未制定LED光衰的定義及通用標(biāo)準(zhǔn)。 GB/T 24823-2009要求LED模塊性能要求規(guī)定的光通維持率是在燃點(diǎn)3000h時(shí)，其光通維持率應(yīng)不低于92%僅試用室內(nèi)燈具的某個(gè)產(chǎn)品，業(yè)界普遍呼吁國(guó)家盡快制定LED光衰標(biāo)準(zhǔn)。

　　2, LED光衰是光源部件超過(guò)耐溫極限不可逆的損傷現(xiàn)象

　　眾所周知，LED工作之后其光強(qiáng)會(huì)著芯片結(jié)溫升高而下降，光效隨之降低，這是半導(dǎo)體隨溫度變化的固有的物理特性，只要光源某個(gè)部件不超過(guò)溫度極限而損傷， LED停止之后溫度降到原始値,其光強(qiáng)還會(huì)恢復(fù)如初，也就是說(shuō)LED不管工作多久、反復(fù)多次只要初始光強(qiáng)不變就不能認(rèn)為光衰，光衰是指光源因長(zhǎng)時(shí)間工作溫度超過(guò)極限値而光強(qiáng)恢復(fù)不到初始値稱(chēng)為光衰，亦即光通量下降不可逆轉(zhuǎn)才是真正意義的光衰。LED光衰是光源部件超過(guò)耐溫極限不可逆的損傷現(xiàn)象。

　　3,目前所有芯片廠和封裝廠所標(biāo)稱(chēng)的光效都是瞬態(tài)光效

　　有人認(rèn)為美國(guó)CREE公司公布的LED芯片結(jié)溫和之間的關(guān)系曲線(xiàn)是LEF光衰曲線(xiàn),不少人將它視為L(zhǎng)ED芯片光衰曲線(xiàn)，以至封裝廠也將它搜搬抄到出廠規(guī)格書(shū)中，這是錯(cuò)誤的。

　　上圖CREE所公示溫度與光通量/光功率關(guān)系曲線(xiàn)是基于向用戶(hù)表達(dá)在設(shè)計(jì)使用中不要讓芯片超過(guò)一定結(jié)溫范圍，以保障在額定光功率下導(dǎo)致光通量下降或產(chǎn)生光衰。筆者認(rèn)為這組曲線(xiàn)不是LED芯片光衰的因果關(guān)系，它應(yīng)該是LED光源的光通量和溫度有關(guān)的多種元件綜合曲線(xiàn)。很多人認(rèn)為這組曲線(xiàn)是單純芯片光衰原因，并不包括熒光粉、粘膠、支架以及與溫度有關(guān)的系統(tǒng)部件影響，這是認(rèn)識(shí)誤區(qū)。LED光源無(wú)論是Ta=25度還是在Ta=85℃溫度下測(cè)試，都是光源系統(tǒng)在某個(gè)特定溫度下的穩(wěn)態(tài)測(cè)量值 ,由于穩(wěn)態(tài)光效受溫度諸多變量關(guān)系影響，測(cè)試復(fù)雜不夠準(zhǔn)確，而且時(shí)間較長(zhǎng)，所以目前所有芯片廠和封裝廠對(duì)外標(biāo)稱(chēng)的光效都是瞬態(tài)光效,下游用戶(hù)驗(yàn)收也是如此。世界上無(wú)論哪個(gè)公司對(duì)外公布產(chǎn)品性能指標(biāo)必須有可操作性和可重復(fù)性，也就是說(shuō)客戶(hù)購(gòu)買(mǎi)你的產(chǎn)品對(duì)其規(guī)格無(wú)法或難以檢驗(yàn)，則無(wú)法通行。一些國(guó)外廠商有意夸大光效超過(guò)傳統(tǒng)值數(shù)倍是沒(méi)有任何實(shí)用意義的，因?yàn)長(zhǎng)ED光效與光衰不是由LED芯片單一因素造成，它與系統(tǒng)熱阻諸多條件有關(guān)，拿試驗(yàn)室光效說(shuō)事只有宣傳意義沒(méi)有任何實(shí)用意義，某公司如推出303LM/W產(chǎn)品而閉門(mén)不推向市場(chǎng)，業(yè)界無(wú)法理解和認(rèn)同。再說(shuō)決定LED光效芯片不是唯一原因，也不是主要原因，用戶(hù)一味追求某品牌而不重視系統(tǒng)設(shè)計(jì)是認(rèn)識(shí)誤區(qū)，會(huì)勞而無(wú)功、事倍功半。

　　結(jié)語(yǔ)

　　討論LED光效、LED熱阻、LED光衰這幾個(gè)廣為流行的專(zhuān)業(yè)詞語(yǔ)，區(qū)分瞬態(tài)光效和穩(wěn)態(tài)光效的意義，是為了進(jìn)一步揭示LED光衰原因，找出解決對(duì)策。同時(shí)對(duì)規(guī)范LED技術(shù)用語(yǔ)定義和建立相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)無(wú)疑也大有裨益。