改善LED散熱性能
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相關(guān)LED的運(yùn)用生存的年限，例如改用硅質(zhì)封裝材料與瓷陶封裝材料，能使LED的運(yùn)用生存的年限增長(zhǎng)一位數(shù)，特別是白光LED的閃光頻譜包括波長(zhǎng)低于450nm短波長(zhǎng)光線，傳統(tǒng)環(huán)氧氣天然樹脂封裝材料極易被短波長(zhǎng)光線毀傷，高功率白光LED的大光量更加速封裝材料的劣化，依據(jù)業(yè)者測(cè)試 最后結(jié)果顯露 蟬聯(lián)點(diǎn)燈不到10,000小時(shí)，高功率白光LED的亮度已經(jīng)減低二分之一以上，根本沒有辦法滿意照明光源光源. 光源產(chǎn)品具有LED顯示、體積小、重量輕、易攜帶、電池供電、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)，直觀快速，是一種使用極其簡(jiǎn)單方便的測(cè)試工具，產(chǎn)品經(jīng)過防震防潮處理，可以在野外惡劣環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間工作。
不過，其實(shí)大功率LED 的發(fā)卡路里比小功率LED高數(shù)十倍以上，并且溫升還會(huì)使閃光速率大幅下跌。具體內(nèi)部實(shí)質(zhì)意義作別是：減低芯片到封裝的熱阻抗、制約封裝至印刷電路基板的熱阻抗、增長(zhǎng)芯片的散熱順利通暢性。
想辦法減損熱阻抗、改善散熱問題
相關(guān)LED的閃光速率，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)。有鑒于此美國Lumileds與東洋CITIZEN等照明設(shè)施、LED封裝廠商，一個(gè)跟著一個(gè)研發(fā)高功率LED用簡(jiǎn)易散熱技術(shù)，CITIZEN在2004年著手著手制作白光LED樣品封裝，不必特別結(jié)合技術(shù)也能夠?qū)⒑窦s2~3mm散熱裝置的卡路里直接排放到外部，依據(jù)該CITIZEN報(bào)導(dǎo)固然LED芯片的結(jié)合點(diǎn)到散熱裝置的30K/W熱阻抗比OSRAM的9K/W大，并且在普通背景下室溫會(huì)使熱阻抗增加1W左右，縱然是傳統(tǒng)印刷電路板無冷卻風(fēng)扇強(qiáng)迫空冷狀況下，該白光LED板塊也可以蟬聯(lián)點(diǎn)燈運(yùn)用。
相關(guān)閃光特別的性質(zhì)平均性，普通覺得只要改善白光LED的熒光體材料液體濃度平均性與熒光體的制造技術(shù)，應(yīng)當(dāng)可以克服上面所說的圍困并攪擾。
因?yàn)樵黾与娏Ψ吹箷?huì)導(dǎo)致封裝的熱阻抗急速降至10K/W以下，因?yàn)檫@個(gè)海外業(yè)者以前研發(fā)耐高溫白光LED，打算借此改善上面所說的問題。
固然硅質(zhì)封裝材料可以保證LED的40,000小時(shí)的運(yùn)用生存的年限，不過照明設(shè)施業(yè)者卻顯露出來不一樣的看法，主要爭(zhēng)辯是傳統(tǒng)電燈泡與日光燈的運(yùn)用生存的年限，被定義成“亮度降至30百分之百以下”。亮度減半時(shí)間為四萬鐘頭的LED，若換算成亮度降至30百分之百以下的話，大約只剩二萬鐘頭左右。
普通覺得假如徹底執(zhí)行以上兩項(xiàng)延壽對(duì)策，可以達(dá)到亮度30百分之百時(shí)四萬鐘頭的要求。因?yàn)檫@個(gè)，松下電工研發(fā)印刷電路板與封裝一體化技術(shù)，該企業(yè)將1mm正方形的藍(lán)光LED以flip chip形式封裝在瓷陶基板上，繼續(xù)再將瓷陶基板粘附在銅質(zhì)印刷電路板外表，依據(jù)松下報(bào)道里面含有印刷電路板順德LED顯示屏在內(nèi)板塊群體的熱阻抗約是15K/W左右。所以Lumileds與CITIZEN是采取增長(zhǎng)結(jié)合點(diǎn)容許溫度，德國OSRAM企業(yè)則是將LED芯片設(shè)置在散熱裝置外表，達(dá)到9K/W超低熱阻抗記錄，該記錄比OSRAM以往研發(fā)同級(jí)產(chǎn)品的熱阻抗減損40百分之百。值當(dāng)一提的是該LED板塊 封裝時(shí)，認(rèn)為合適而使用與傳統(tǒng)辦法相同的flip chip形式，然而LED板塊與散熱裝置結(jié)合乎時(shí)常，則挑選最靠近LED芯片閃光層作為結(jié)合面，借此使閃光層的卡路里能夠以最短距離傳導(dǎo)排放。
以往LED 業(yè)者為了取得充分的白光LED 光柱，以前研發(fā)大尺寸LED芯片 打算藉此形式達(dá)到預(yù)先期待目的。如上增長(zhǎng)給予電力的同時(shí)，不可少想辦法減損熱阻抗、改善散熱問題。然而，其實(shí)白光LED的給予電努力堅(jiān)持續(xù)超過1W以上時(shí)光柱反倒會(huì)減退，閃光速率相對(duì)減低20~30百分之百。換言之，白光LED的亮度假如要比傳統(tǒng)LED大數(shù)倍，耗費(fèi)電力特別的性質(zhì)逾越日光燈的話，就不可少克服下面所開列四大課題：制約溫升、保證運(yùn)用生存的年限、改善閃光速率，以及閃光特別的性質(zhì)平均化。反過來說縱然白光LED具有制約熱阻抗的結(jié)構(gòu)，假如卡路里沒有辦法從封裝傳導(dǎo)到印刷電路板的話，LED溫度升漲的最后結(jié)果毅然會(huì)使閃光速率急速下跌。
解決封裝的散熱問題才是根本辦法
溫升問題的解決辦法是減低封裝的熱阻抗；保持LED的運(yùn)用生存的年限的辦法是改善芯片外形、認(rèn)為合適而使用小規(guī)模芯片；改善LED的閃光速率的辦法是改善芯片結(jié)構(gòu)、認(rèn)為合適而使用小規(guī)模芯片；至于閃光特別的性質(zhì)平均化的辦法是改善LED的封裝辦法，這些個(gè)辦法已經(jīng)陸續(xù)被研發(fā)中。因?yàn)榄h(huán)氧氣天然樹脂借鑒波長(zhǎng)為400~450nm的光線的百分率高達(dá)45%，硅質(zhì)封裝材料則低于1百分之百，輝度減半的時(shí)間環(huán)氧氣天然樹脂不到一萬鐘頭，硅質(zhì)封裝材料可以延長(zhǎng)到四萬鐘頭左右，幾乎與照明設(shè)施的預(yù)設(shè)生存的年限相同，這意味著照明設(shè)施運(yùn)用時(shí)期不需改易白光LED。然而硅質(zhì)天然樹脂歸屬高彈性軟和材料，加工時(shí)不可少運(yùn)用不會(huì)刮傷硅質(zhì)天然樹脂外表的制造技術(shù)，這個(gè)之外加工時(shí)硅質(zhì)天然樹脂極易依附粉屑，因?yàn)檫@個(gè)未來不可少研發(fā)可以改善外表特別的性質(zhì)的技術(shù)。
相關(guān)LED的長(zhǎng)命化，到現(xiàn)在為止LED廠商采取的對(duì)策是改變封裝材料，同時(shí)將熒光材料散布在封裝材料內(nèi)，特別是硅質(zhì)封裝材料比傳統(tǒng)藍(lán)光、近紫外線LED芯片上方環(huán)氧氣天然樹脂封裝材料，可以更管用制約材質(zhì)劣化與光線洞穿率減低的速度。
改變封裝材料制約材質(zhì)劣化與光線洞穿率減低的速度
2003年東芝Lighting以前在400mm正方形的鋁合金外表，鋪修閃光速率為60lm/W低熱阻抗白光LED，無冷卻風(fēng)扇等特別散熱組件前提下，試著制做光柱為300lm的LED板塊。主要端由是電流疏密程度增長(zhǎng)2倍以上時(shí)，不惟不由得易從大型芯片抽取光線，最后結(jié)果反倒會(huì)導(dǎo)致閃光速率還不如低功率白光LED的窘境。依據(jù)德國OSRAM Opto Semi conductors Gmb實(shí)驗(yàn)最后結(jié)果證明，上面所說的結(jié)構(gòu)的LED芯片到燒焊點(diǎn)的熱阻抗可以減低9K/W，約是傳統(tǒng)LED的1/6左右，封裝后的LED給予2W的電力時(shí)，LED芯片的結(jié)合溫度比燒焊點(diǎn)高18K，縱然印刷電路板溫度升漲到50℃，結(jié)合溫度頂多只有70℃左右；相形之下過去熱阻抗一朝減低的話，LED芯片的結(jié)合溫度便會(huì)遭受印刷電路板溫度的影響。制約白光LED溫升可以認(rèn)為合適而使用冷卻LED封裝印刷電路板的辦法，主要端由是封裝天然樹脂高溫狀況下，加上強(qiáng)光映射會(huì)迅速劣化，沿襲阿雷紐斯法則溫度減低10℃生存的年限會(huì)延長(zhǎng)2倍 中國照明電器協(xié)會(huì) LED照明門戶網(wǎng)站。
因?yàn)樯嵫b置與印刷電路板之間的細(xì)致精密性直接左右導(dǎo)熱效果，因?yàn)檫@個(gè)印刷電路板的預(yù)設(shè)變得十分復(fù)雜。
為了減低熱阻抗，很多海外LED廠商將LED芯片設(shè)置在銅與瓷陶材料制成的散熱裝置（heat sink）外表，繼續(xù)再用燒焊形式將印刷電路板的散熱用導(dǎo)線連署到利用冷卻風(fēng)扇強(qiáng)迫空冷的散熱裝置上。因?yàn)闁|芝Lighting領(lǐng)有浩博的試著制做經(jīng)驗(yàn)，因?yàn)檫@個(gè)該企業(yè)表達(dá)因?yàn)槟M剖析技術(shù)的進(jìn)步提高，2006年在這以后超過60lm/W的白光LED，都可以輕松利用燈具、框體增長(zhǎng)導(dǎo)熱性，或是利用冷卻風(fēng)扇強(qiáng)迫空冷形式預(yù)設(shè)照明設(shè)施的散熱，不必特別散熱技術(shù)的板塊結(jié)構(gòu)也能夠運(yùn)用白光LED。
Lumileds于2005年著手制作的高功率LED芯片，結(jié)合容許溫度更高達(dá)+185℃，比其他企業(yè)同級(jí)產(chǎn)品高60℃，利用傳統(tǒng)RF 4印刷電路板封裝時(shí)，四周圍背景溫度40℃范圍內(nèi)可以輸入相當(dāng)于1.5W電力的電流（約是400mA）。這也是LED廠商完全一樣認(rèn)為合適而使用瓷陶系與金屬系封裝材料主要端由。縱然封裝技術(shù)準(zhǔn)許高卡路里，然而LED芯片的結(jié)合溫度卻可能超過容許值，最終業(yè)者終于了悟到解決封裝的散熱問題才是根本辦法。
三種主流LED封裝散熱結(jié)構(gòu)
LED封裝光源的散熱問題，一直是LED產(chǎn)品開發(fā)中遇到非常重要的問題，特別是散熱材料的選用，一直是工程師的難題。因?yàn)楫a(chǎn)品材料的導(dǎo)熱性能就非常之關(guān)鍵。
就目前而言，陶瓷材料是導(dǎo)熱性能非常好的材料，它有導(dǎo)熱率高，良好的物量性能（不不收縮，不變形），良好的絕緣性能與導(dǎo)熱性能。因此，采用陶瓷材料將是未來LED產(chǎn)品開發(fā)的主流趨勢(shì)！
下面對(duì)幾種LED封裝常用材料的相關(guān)參數(shù)、性質(zhì)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比。并圖解了LED封裝常用陶瓷支架的生產(chǎn)原理。
LED封裝常用材料相關(guān)參數(shù)對(duì)比圖
從提供的資料看，所用的陶瓷材料是三氧化二鋁，我認(rèn)為用它替代銅，簡(jiǎn)直是技術(shù)倒退！除非你打算讓LED的芯片工作到150度以上的溫度。大家實(shí)測(cè)一下圖中第一和第二種結(jié)構(gòu)芯片的溫度就知道那種陶瓷的不好了。
大家要明白，電子工業(yè)中采用所謂“導(dǎo)熱陶瓷”（實(shí)際導(dǎo)熱遠(yuǎn)不如銅、鋁等金屬）的目的是什么。并非是它導(dǎo)熱比常用的導(dǎo)熱金屬的導(dǎo)熱能力強(qiáng)，而是在于陶瓷的絕緣性能和低的膨脹系數(shù)。當(dāng)這兩項(xiàng)參數(shù)不是問題時(shí)，使用陶瓷絕對(duì)無益。導(dǎo)熱好的陶瓷導(dǎo)熱性能不如銅，與鋁相當(dāng)，價(jià)格高，加工難，脆性大，不抗震動(dòng)。
提示一下，有興趣的可以去看看下面幾種材料的性能再回來看這個(gè)帖子。氧化鋁、氧化鈹、氮化鋁、純銅、純鋁、散熱用的幾種合金鋁、鋁基板及鋁基板的絕緣層，等等。好好學(xué)習(xí)一下這些材料的物理特性，再了解一下它們的價(jià)格。
LED熱隔離封裝技術(shù)及對(duì)光電性能的改善
在傳統(tǒng)的白光LED封裝結(jié)構(gòu)中，熒光粉直接涂覆于芯片上面，工作時(shí)，芯片釋放的熱量直接加載在熒光粉上面，導(dǎo)致了熒光粉的溫升，使得熒光粉在高溫下轉(zhuǎn)化效率降低。而在熒光粉與芯片之間引入一層低導(dǎo)熱的熱隔離層能夠有效的阻止芯片的熱量直接加載到熒光粉上，降低了熒光粉層溫度，使得白光LED在大電流注入下都能保持較高的流明效率。除了芯片釋放的熱量之外，涂覆的熒光粉受藍(lán)光激發(fā)時(shí)，因熒光粉的轉(zhuǎn)化效率尚未達(dá)到100%，另外由于散射等其它損耗的存在，熒光粉顆粒本身也會(huì)有少量的熱量釋放，容易形成局域熱量累積，為此當(dāng)熒光粉材料轉(zhuǎn)化效率較低時(shí)，還需為熒光粉提供散熱通道，防止熒光粉顆粒局域熱的生成。下面通過傳統(tǒng)熒光粉涂覆方式和熱隔離封裝方式兩組實(shí)驗(yàn)對(duì)比了解兩種結(jié)構(gòu)中芯片和熒光粉的熱相互作用。
1.LED芯片對(duì)熒光粉的加熱
為了*價(jià)LED芯片對(duì)熒光粉熱性能方面的影響，我們制作了兩組白光LED封裝結(jié)構(gòu)，一組采用傳統(tǒng)的熒光粉涂覆方式，另一組采用熱隔離的熒光粉涂覆方式，圖1是該熱隔離封裝結(jié)構(gòu)的剖面制樣圖。
圖1 傳統(tǒng)白光LED橫截面圖示(a)熒光粉熱隔離封裝結(jié)構(gòu)(b)，h=1mm
熒光粉熱隔離封裝結(jié)構(gòu)是通過熒光粉覆膜的方式實(shí)現(xiàn)的。熒光粉覆膜技術(shù)是我們提出的一種新型熒光粉涂覆方法，即根據(jù)出光要求設(shè)計(jì)好熒光粉膜層的結(jié)構(gòu)，在專用模具內(nèi)完成熒光粉膜層的成型，剝離后，將熒光粉膜層轉(zhuǎn)移到LED芯片上方，同時(shí)LED芯片和熒光粉膜層中間還有一層低導(dǎo)熱系數(shù)的硅膠層。為了表明兩種封裝結(jié)構(gòu)熱性能上的差別，我們比較了兩種封裝結(jié)構(gòu)表面的溫度分布圖。圖2是兩種封裝結(jié)構(gòu)在200、350和500mA直流驅(qū)動(dòng)下表面IR Camera測(cè)得溫度徑向分布。在200 mA驅(qū)動(dòng)電流下時(shí)，熱隔離封裝結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)封裝方式中心溫度低1.6℃。在350mA和500mA注入電流下時(shí)，熒光粉層的溫差分別達(dá)到了8.5℃和16.8℃，并且在500mA注入電流下時(shí)，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)熒光粉的表層最高溫度已經(jīng)達(dá)到130.2℃。另外，熱隔離封裝結(jié)構(gòu)整個(gè)熒光粉表層的溫度都很均勻，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中熒光粉中心溫度較高，在大電流時(shí)尤為明顯。
我們通過有限元模擬來分析封裝結(jié)構(gòu)中的參數(shù)變化對(duì)白光LED性能的影響。結(jié)果表明，可以通過封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及封裝材料熱導(dǎo)率調(diào)整來調(diào)控?zé)晒夥蹖拥臏囟?。圖3是LED熱隔離封裝結(jié)構(gòu)中的溫度縱向分布，熒光粉層的溫度通過引入的熱隔離硅膠層大大降低了。
圖2 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和熱隔離結(jié)構(gòu)中熒光粉表面的溫度曲線，紅色為實(shí)驗(yàn)值，藍(lán)色為模擬值
圖3 熱隔離封裝結(jié)構(gòu)中，樣品沿h2方向的徑向溫度分布(h2=1mm)
綜上所述，降低熒光粉層溫度的有效辦法是在芯片與熒光粉層之間引入低導(dǎo)熱的熱隔離層，尤其對(duì)于更大功率的LED器件而言，對(duì)熒光粉的熱控制技術(shù)顯得尤為重要。
2．熒光粉局域熱效應(yīng)
熒光粉層并不是具有均勻熱導(dǎo)率的單一介質(zhì)，而是由熒光粉顆粒與低導(dǎo)熱的硅膠混合而成，每顆熒光粉顆粒由硅膠包裹而成。我們的研究結(jié)果表明熒光粉顆粒在不同的轉(zhuǎn)化效率下(即不同的釋熱量)芯片和熒光粉的溫場(chǎng)分布。在熒光粉轉(zhuǎn)化效率高(>80%)的情況下，熒光粉的溫度主要受芯片加熱的影響。熒光粉距離芯片越近，溫度越高，熱隔離的措施能有效降低熒光粉的溫度。在熒光粉顆粒發(fā)熱明顯的情況下，由于包裹熒光粉顆粒是低導(dǎo)熱率的硅膠，熒光粉顆粒會(huì)形成局域熱量，使得熒光粉顆粒的溫度升高，甚至超過芯片的溫度。而出現(xiàn)熒光粉局域熱量的條件是熒光粉的低轉(zhuǎn)化效率，導(dǎo)致熒光粉釋熱大。
在實(shí)際的LED封裝結(jié)構(gòu)中，熒光粉的轉(zhuǎn)化效率高，熒光粉的溫度主要是由于芯片的加熱作用，熒光粉與芯片直接有效的熱隔離能明顯降低熒光粉的溫度。進(jìn)一步降低熒光粉層的溫度可以通過提高熒光粉層的導(dǎo)熱率來實(shí)現(xiàn)。
為了表明兩種封裝結(jié)構(gòu)對(duì)白光LED光色性能的影響，我們把LED白光光譜中藍(lán)光波段(Blue)和黃光波段(YELlow)提取出來，以藍(lán)光波段光譜和黃光波段光譜的積分量比例值(B/Y)作為光譜*價(jià)依據(jù)。圖4表明的是電流從50mA到800mA，兩種情況下B/Y值跟注入電流的關(guān)系，B/Y值的變化反映了白光LED光色的變化，在圖6中，我們展示了兩種結(jié)構(gòu)中光通量、色溫(CCT)跟注入電流的變化關(guān)系。兩種封裝結(jié)構(gòu)中，注入電流在達(dá)到300mA以前，兩者光通量的值幾乎沒發(fā)生變化，隨著注入電流的繼續(xù)升高，熱隔離封裝結(jié)構(gòu)顯示了更好的光飽和性能。色溫CCT反映了白光LED光色的表現(xiàn)性能，注入電流從50mA增加到800mA，熱隔離結(jié)構(gòu)的LED色溫僅變化253K，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)LED色溫變化達(dá)1773K。圖5中B/Y值的變化也反映了這種趨勢(shì)，熱隔離封裝結(jié)構(gòu)在較大的電流變化范圍內(nèi)B/Y值變化很小，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中B/Y值的變化很大。在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，電流越大時(shí)，B/Y值也隨著增大，這說明隨著電流增加，LED光譜中藍(lán)光成分增強(qiáng)，而將藍(lán)光轉(zhuǎn)化為黃光的熒光粉轉(zhuǎn)化效率下降。而造成熒光粉轉(zhuǎn)化效率下降的一個(gè)重要原因就是芯片對(duì)熒光粉的加熱，造成了熒光粉溫度上升。
圖4 兩種封裝結(jié)構(gòu)中白光LED光譜中藍(lán)光段(Blue)與黃光段(Yellow)光強(qiáng)比(B/Y)(插圖是藍(lán)光和黃光比例)
圖5 兩種封裝結(jié)構(gòu)光通量(左軸)和色溫(右軸)與電流的依賴關(guān)系
熒光粉熱隔離封裝結(jié)構(gòu)帶來光色性能的改善，一個(gè)重要原因是由于該結(jié)構(gòu)降低了熒光粉的溫度，使得熒光粉保持了較高的轉(zhuǎn)化效率。
評(píng)論