解析溫度對(duì)大功率LED照明系統(tǒng)光電參數(shù)的影響

近年來(lái)，LED技術(shù)得到迅猛發(fā)展，其在信號(hào)指示、照明、背光源、顯示等方面得到廣泛的應(yīng)用。隨著芯片技術(shù)的提高，LED已經(jīng)進(jìn)入大功率的時(shí)代?，F(xiàn)在1W級(jí)的大功率LED正被照明行業(yè)使用，并顯示出了光明的前景。LED功率及光效的提高，使得LED燈具代替?zhèn)鹘y(tǒng)照明方式成為可能。發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的芯片，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過(guò)渡層，稱(chēng)為p-n結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的p-n結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能，LED就是利用注入式電致發(fā)光原理制作的。

　　由于目前LED量子效率低，在工作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，大功率LED的熱效應(yīng)尤為明顯。如果這些熱量不能及時(shí)的散發(fā)出去，就會(huì)使LED中p-n結(jié)的溫度(結(jié)溫)迅速升高，導(dǎo)致芯片載流子有效復(fù)合幾率下降，出射光子的數(shù)目減少，取光效率降低，還會(huì)使得LED芯片的發(fā)射光譜發(fā)生紅移，這對(duì)利用藍(lán)光激發(fā)YAG發(fā)光粉來(lái)取得白光的LED照明系統(tǒng)是非常不利的，因此LED的散熱成為LED照明技術(shù)發(fā)展的重大課題，解決LED照明系統(tǒng)的散熱問(wèn)題迫在眉睫。

　　COB技術(shù)是裸芯片貼裝技術(shù)之一，半導(dǎo)體芯片貼裝在印刷線路板上，芯片與基板的電氣連接用引線縫合方法實(shí)現(xiàn)。在大功率LED燈具制造過(guò)程中，通常的做法是利用COB的方法將LED芯片封裝在鋁質(zhì)或者銅質(zhì)基板上，利用自動(dòng)焊線機(jī)將芯片與基板上的電路連接，再將基板與外部電路連接在一起?；骞潭ㄔ阡X質(zhì)散熱器上將熱量散發(fā)出去。因此，散熱器質(zhì)量的好壞直接影響著LED燈具的壽命、效率和出光質(zhì)量。

　　對(duì)于制造性能可靠，高亮度LED系統(tǒng)，熱管理是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。解決LED照明系統(tǒng)的散熱問(wèn)題，必須預(yù)先知道溫度對(duì)大功率LED照明系統(tǒng)的光電參數(shù)的影響。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)LED芯片的熱阻方面做了大量的研究，但對(duì)于商用照明的白光LED的散熱方面的研究卻很少。本文就照明用大功率白光LED燈具中，光源光通量、電學(xué)參數(shù)等光電參數(shù)受溫度的影響做出分析。　　測(cè)試系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)

　　1.實(shí)驗(yàn)選材與儀器

　　本文采用的是1W×3串聯(lián)封裝的白光LED照明模塊，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。芯片選用臺(tái)灣晶元光電制造的45mil藍(lán)寶石襯底InGaN芯片。發(fā)光粉為弘大所生產(chǎn)，與道康寧硅膠以一定比例混合制成發(fā)光粉涂層。導(dǎo)熱膏選用TIG78040型導(dǎo)熱膏，其熱導(dǎo)率為4.0W/mK?；宀馁|(zhì)為鋁質(zhì)。選取4只不同規(guī)格的鋁合金(6063)圓柱形鰭片

　　散熱器，編號(hào)為1-4號(hào)，其中1號(hào)散熱器經(jīng)過(guò)氧化處理，2-4號(hào)散熱器未經(jīng)過(guò)氧化處理。規(guī)格分別為Φ30mm×H47mm，Φ53mm×H30mm，Φ45mm×H54mm，Φ44mm×H64mm。利用杭州遠(yuǎn)方光電生產(chǎn)的PMS-50plus紫外-可見(jiàn)-近紅外光譜分析系統(tǒng)記錄光電參數(shù)。并用杭州威博科技制造的TC-2008多路溫度測(cè)試儀記錄溫度。

圖1通用照明LED模塊結(jié)構(gòu)示意圖

　　2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程與數(shù)據(jù)采集

　　將LED光源安裝在散熱器上，把TC-2008多路溫度測(cè)試儀的熱電偶安裝在散熱器內(nèi)部以測(cè)量散熱器的溫度，測(cè)試點(diǎn)為鋁質(zhì)散熱器與基板相接處。將上述裝置安裝好后放入積分球，利用350mA恒流電源驅(qū)動(dòng)，以10s為周期記錄溫度與光電參數(shù)。測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。在穩(wěn)恒電流驅(qū)動(dòng)下的LED模塊，熱量由能夠很好的滿足散熱要求的鋁基板傳輸?shù)仅捚崞魃?，再依靠鰭片散熱器散發(fā)出去。LED模塊工作時(shí)散熱器溫度會(huì)迅速升高，連接在一起的TC-2008多路溫度測(cè)試儀會(huì)記錄散熱器溫度的瞬時(shí)值，同時(shí)，PMS-50光譜分析系統(tǒng)會(huì)記錄下相應(yīng)的光電參數(shù)。

　圖2LED光電參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

　　結(jié)果與分析

　　1.溫度對(duì)光通量的影響

對(duì)于正裝大功率LED，芯片側(cè)表面和上表面散熱能力差，熱量絕大部分是依靠熱傳導(dǎo)將熱量傳到散熱器，利用散熱器的對(duì)流將熱量散掉。因此，LED散熱器質(zhì)量的好壞直接影響著LED中p-n結(jié)的溫度，LED的衰減主要取決于結(jié)溫。

所以，設(shè)計(jì)和使用合理的散熱器對(duì)于降低大功率LED的光衰有著重要的意義。如圖3所示，以350mA電流驅(qū)動(dòng)LED光源，其溫度會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)迅速上升，并且維持在熱平衡溫度上。其原因主要是由于LED開(kāi)始通電時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，但芯片和散熱基板間的熱界面材料(TIM)的熱導(dǎo)率很低(4.0W/mK)，這些熱量傳到散熱器上需要一定的時(shí)間，所以會(huì)有一段溫度急劇上升的曲線，當(dāng)基板和散熱器溫度相同時(shí)，就達(dá)到了一種熱平衡狀態(tài)。此時(shí)，基板和散熱器的溫度不再變化，并將維持下去。這一熱平衡溫度取決于散熱器的形狀和大小，如圖所示，四只散熱器樣品達(dá)到熱平衡狀態(tài)的時(shí)間和最后的溫度是不同的，其熱平衡溫度分別為59.8，49.0，47.4，44.4℃。