大功率白光LED路燈發(fā)光板設(shè)計與驅(qū)動技術(shù)

摘要： 為最大可能提高大功率LED路燈發(fā)光板的電光轉(zhuǎn)化率與散熱效率，在不影響外量子效率前提下對LED芯片設(shè)計采用擴(kuò)大LED芯片面積，以及電極優(yōu)化技術(shù)增加LED芯片的出光量，使芯片表面熱流均勻分布，芯片工作更穩(wěn)定。分析了大功率白光LED的封裝過程對提高芯片取光率、保障白光質(zhì)量、器件散熱技術(shù)的綜合應(yīng)用。綜合上述技術(shù)及有限元分析軟件對大功率LED器件封裝的熱阻分析結(jié)果，確定了COB(chip onboard)LED芯片的陣列組裝技術(shù)，為制造LED路燈發(fā)光板的最佳技術(shù)方案。LED芯片結(jié)溫很容易控制在120 ℃以下，與外部散熱技術(shù)兼容性好。通過光線最佳歸一化數(shù)學(xué)模型計算了LED芯片陣列芯片間最佳距離。最后通過對各種白光LED驅(qū)動方案的比較，確定了白光LED最佳驅(qū)動方案為恒電流驅(qū)動脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)節(jié)亮度。

1 引 言

LED是一種綠色照明光源，其主要優(yōu)點(diǎn)是發(fā)光效率高。隨著材料科學(xué)的進(jìn)展，在未來十幾年其發(fā)光效率會有更大幅度的提高;且能量消耗低、壽命長、材料可回收，不會污染環(huán)境。

基于LED照明的以上優(yōu)點(diǎn)，歐美、日本和韓國都制定了相應(yīng)的法律法規(guī)和產(chǎn)業(yè)扶持政策，在未來十幾年的時間里大規(guī)模推廣相關(guān)技術(shù)到民用照明領(lǐng)域。我國雖然起步比較晚，但最近幾年也開始了積極的科研開發(fā)和產(chǎn)業(yè)政策的制定和扶持等工作。

2 大功率白光LED路燈發(fā)光板設(shè)計的相關(guān)應(yīng)用技術(shù)

目前，白光LED 技術(shù)主要有三種：采用InGaN藍(lán)色LED管芯上加少量釔鋁石榴石為主的熒光粉，由藍(lán)光LED激發(fā)熒光粉發(fā)出黃光，與藍(lán)光混合發(fā)出白光;利用三基色原理將紅、綠、藍(lán)三種LED混合成白光;用紫外光LED 激發(fā)三基色熒光粉產(chǎn)生多色光混合成白光。

其中第二種方案控制難度較高、而且陣列應(yīng)用很難保證發(fā)出均勻的白光，而第三種白光技術(shù)所發(fā)白光有紫外光成分，因此這里選擇第一種白光技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用技術(shù)分析。大功率白光LED的發(fā)明成功為半導(dǎo)體發(fā)光元件進(jìn)入照明領(lǐng)域提供了物質(zhì)與技術(shù)保障。大功率白光發(fā)光二極管在照明領(lǐng)域的使用需要注意兩方面問題：電/光轉(zhuǎn)化率和發(fā)光組件的熱控制。

大功率LED是一種小型器件，隨著制造技術(shù)的提高，輸入的驅(qū)動電流越來越大，輸入功率也隨之提高。雖然電/光轉(zhuǎn)化率較高，但從芯片面積上來講，應(yīng)該算作是點(diǎn)光源，因此單位面積上發(fā)熱量很大。而大功率LED器件性能隨著結(jié)溫的升高會受到很大影響，超過一定溫度后，電/光轉(zhuǎn)化率會急劇下降，甚至器件因為溫度過高而永久失去功能。

2. 1 提高大功率LED 芯片電/光轉(zhuǎn)化率并使芯片熱流密度均勻化的芯片級應(yīng)用技術(shù)

隨著技術(shù)發(fā)展， LED的芯片二維尺寸不斷地增大，通過擴(kuò)大LED芯片面積，使得LED輸出功率提高，發(fā)光亮度得以大幅度地提高。但若一味加大芯片面積，反而會出現(xiàn)LED炔康墓馕收比率增加、外部量子效率降低等不利的現(xiàn)象，并且結(jié)溫的溫升也會進(jìn)一步升高。而且隨著芯片二維尺寸的增加，芯片本身的發(fā)光效率也下降得很快。

為了優(yōu)化LED芯片的熱學(xué)、光學(xué)性能，一方面除了加大芯片的尺寸，另一方面可以通過優(yōu)化芯片上電極結(jié)構(gòu)使得整個芯片在工作時的電流均勻地擴(kuò)散分布。如果電流分布不均勻，往往會導(dǎo)致熱流密度以及光通量的不均勻分布，在芯片內(nèi)部產(chǎn)生局部的熱斑，這樣將大大地降低LED器件的效率和可靠性。

為減少LED芯片中橫向電流不均勻分布，有效電流路徑長度必須很短并且同等，該長度決定于正電極和負(fù)電極的空間距離。圖1(b)芯片電極通過優(yōu)化后電流密度在整個芯片分布的均勻性要比圖1 ( a)好。

圖1 LED中不同電極結(jié)構(gòu)的電流擴(kuò)展分布

可知對于大芯片LED,單獨(dú)一個電極設(shè)計是不利于電流擴(kuò)散，因此現(xiàn)在的大功率LED多采用梳狀條形交叉電極、梳狀條形與點(diǎn)狀結(jié)合的電極以及米字形的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計。這可以使得芯片內(nèi)電流分布比較均勻，使發(fā)光芯片由單電極結(jié)構(gòu)的點(diǎn)光源成為面光源，提高芯片總的光輸出通量，另外可以使得芯片的表面熱分布均勻，防止產(chǎn)生熱斑。圖2所示為主流的大功率LED的電極結(jié)構(gòu)示意圖，其中的米字型電極設(shè)計的芯片為美國Cree公司的專利產(chǎn)品。

圖2 大功率LED芯片電極結(jié)構(gòu)。

米字形電極結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用是基于導(dǎo)電碳化硅( SiC)襯底生長的LED,其電流是垂直擴(kuò)散，比起在絕緣透明藍(lán)寶石(sapphire)襯底上生長GaN基梳狀電極的LED芯片的橫向擴(kuò)散電流，其電流分布均勻性更好。

2. 2 大功率白光LED 的封裝階段對LED 芯片取光、保障白光質(zhì)量與器件快速散熱技術(shù)的綜合應(yīng)用

固晶階段：將LED芯片焊接固定在導(dǎo)熱襯底(熱沉)上，一般在襯底上由下而上地敷有絕緣層、電路層、反射層。圖3~5為三種芯片在襯底上的焊接固定方式。

圖3 LED芯片正向焊接與雙電極金屬鍵合示意

圖4 梳狀條形電極LED芯片倒裝焊接與雙電極金屬鍵合示意

圖5 倒轉(zhuǎn)焊在硅片上的單電極芯片

其中圖4 和圖5 的固晶方式與圖3 的常規(guī)LED芯片的固晶方式相比較，將芯片的發(fā)熱端與熱沉層直接接觸，非常容易散熱，將比較大的發(fā)光面朝上，既考慮了取光率也考慮了散熱，這是目前主流的大功率LED芯片焊接固定方式。