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

安裝管殼：安裝的管殼一般都會被加工成錐形或拋物線形的反射杯，以增加功率型LED的出光量，屬于二次取光技術(shù)， 增加了單芯片的出光率。

金屬鍵合：利用金絲球焊的方法將焊盤與外部電極連接鍵合，即芯片電極與外部電極相連接。

配粉及涂粉工藝：配置可在藍(lán)光LED發(fā)出的藍(lán)光激發(fā)下能發(fā)出相應(yīng)色譜范圍內(nèi)黃光的熒光粉，并涂敷在芯片的表面。涂敷熒光配膠工藝目前國內(nèi)多采用傳統(tǒng)的點(diǎn)膠方式，國外多采用保形涂敷( conformal coating)技術(shù)。二者比較而言，通過點(diǎn)膠形成的熒光粉層不能保證在芯片周圍的厚度一致，這樣就會造成不同視角發(fā)光器件的顏色不一樣。而采用保形涂粉的方法，由于在芯片周圍涂層的厚度均勻，因此所發(fā)出的光的顏色一致性好，保證了所發(fā)出白光的純正。

最后，向反光杯( reffeitor)中填充熱穩(wěn)定性能好、絕緣以及光學(xué)透明折射率高的柔性硅膠，并在最上面加上一個(gè)光學(xué)透鏡，形成光學(xué)微腔，經(jīng)熱固化后完成整個(gè)器件的封裝。圖6~8為單芯片封裝的功率型的LED器件。在完成大功率白光LED芯片及封裝的出光率與熱管理的技術(shù)優(yōu)化基礎(chǔ)上，可采用COB技術(shù)陣列式組裝大功率白光LED芯片制造路燈發(fā)光板。

圖6 點(diǎn)膠(a)與保形涂粉(b)工藝的對比

圖7 普通架式功率型LED封裝示意圖

圖8　一種大功率LED器件的封裝示意圖

2. 3 以COB技術(shù)陣列式組裝大功率白光LED路燈發(fā)光板的技術(shù)優(yōu)勢

LED產(chǎn)業(yè)經(jīng)過40多年的發(fā)展，經(jīng)過了支架式LED (Lead LED ) 、普通貼片式LED ( Chip SMDLED) 、功率LED ( Power LED) 、大功率LED (HighPower LED)等發(fā)展歷程。

圖9為LED發(fā)光器件封裝結(jié)構(gòu)的演變，從圖中可以看出，LED器件封裝的熱阻越來越小。但是在目前的路燈應(yīng)用上，相對而言大功率LED的光通量( lm)仍然有限，單管亮度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，必須配置多個(gè)LED器件組成陣列。

圖9 LED封裝結(jié)構(gòu)的演變以及熱阻的變化趨勢。

對于架式功率型LED,因?yàn)閱喂芄馔坎蛔?，只能集合多個(gè)LED元件組成LED陣列，分布焊接在PCB板上形成路燈用的發(fā)光板，以達(dá)到較高的光通量才能符合照明市場的需求。但是這種LED器件整個(gè)發(fā)光芯片是被聚脂塑料包裹，而聚脂塑料是一種熱的不良導(dǎo)體，所以其自身發(fā)出的熱量很難散失，因此也會很嚴(yán)重地制約功率型LED的發(fā)光效率。此外PCB 板也是熱的不良導(dǎo)體，從LED下部也很難散熱。

對于目前比較廣泛使用的普通貼片式LED、功率LED器件雖然單管光通量有所提高，但是單管光通量還是不能符合照明市場的需求，要制成實(shí)用的照明燈具，尤其是路燈照明，采取的技術(shù)方案與支架式LED相同，將發(fā)光器件陣列式焊接在PCB板上形成較大光通量的發(fā)光板。但是每個(gè)功率型的單管LED下部都有高導(dǎo)熱的熱沉層，散熱情況要好于架式的功率型LED.

但是這兩個(gè)方案有一個(gè)共同問題，由于器件數(shù)量比較多，使電路的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，而電路板自身的基板由熱的不良導(dǎo)體制成，燈具熱流散發(fā)不暢，很難與各種外部散熱手段(無論是主動散熱，比如加裝風(fēng)扇式散熱器等，還是被動散熱，比如加裝散熱片等)兼容，影響了燈具的穩(wěn)定性和使用壽命，故障率相對較高。

為解決以上問題，可以采用COB技術(shù)對LED芯進(jìn)行陣列式封裝，形成大的發(fā)光板。該組裝方式在形成光學(xué)微腔的封裝過程與單管大功率LED封裝方式完全相同，只是以陣列的方式將LED芯片固晶在一塊較大面積的敷有氧化膜絕緣層和電路層的高導(dǎo)熱復(fù)合材料基板上。如圖10和圖11所示，典型的高導(dǎo)熱復(fù)合材料襯底有美國Bergquist公司的T2Clad產(chǎn)品，德國Curamik覆銅陶瓷板DBC(Direct Bonded Copper)。使用成本更低廉的覆銅鋁基板也可以達(dá)到同樣的熱沉效果(鋁基板的氧化膜可承受1 000 V的靜電擊穿電壓)。

圖10 金屬覆銅板的結(jié)構(gòu)圖

圖11 DBC陶瓷基板示意圖

相對于前兩種技術(shù)方案來講，采用COB技術(shù)將大功率LED芯片陣列式封裝在復(fù)合材料線路板上有以下幾點(diǎn)好處：

從散熱管理的角度來講，雖然貼片式LED(Chip SMD LED) 、功率LED (Power LED)器件在芯片下裝有高導(dǎo)熱材料的熱沉層，但是從LED芯片依次向下有反射層、電路層、絕緣層、導(dǎo)熱材料組成的熱沉層，而各層之間粘合或多或少要使用一些不良的散熱材料，此外，目前常規(guī)方案中使用的電路板的基板也是熱的不良導(dǎo)體，因此對散熱也很不利。而高導(dǎo)熱復(fù)合材料是用共晶沖壓的方式制造的，電路層、絕緣層、導(dǎo)熱層之間結(jié)合緊密屬于原子級結(jié)合方式，因此其散熱率更是高于單管熱沉層的散熱率。

另外根據(jù)有限元分析軟件對功率型LED組件熱阻模型分析結(jié)果表明：對于采用高導(dǎo)熱熱沉的單管大功率LED的封裝方案，外加散熱基板面積的尺寸很大程度影響芯片的結(jié)溫，在空氣自然對流下，其直徑要大于20 mm才能使得LED芯片在120 ℃以下工作。而采用的COB 技術(shù)封裝的LED模塊，很容易實(shí)現(xiàn)將LED 芯片工作結(jié)溫控制在120 ℃以下。

實(shí)際上， COB封裝技術(shù)和高熱導(dǎo)率復(fù)合材料的結(jié)合，其優(yōu)勢更加體現(xiàn)在多芯片封裝上，如圖12所示，形成多芯片模塊組件，有利于提高LED單位封裝組件的散熱性能，同時(shí)增加單位組件的發(fā)光亮度。而且高導(dǎo)熱復(fù)合材料是電路與熱沉的合成體，結(jié)構(gòu)緊湊，在散熱的同時(shí)也解決了電氣連接的電路問題，并且由于電路層單面分布，可實(shí)現(xiàn)電熱性能分開，與外部制冷器能很好的兼容，外部制冷組件可以直接貼在板后，進(jìn)一步降低工作溫度保證LED光源的可靠性和穩(wěn)定性。另外，采用COB封裝的制作工藝兼容于目前電路板制作流程，技術(shù)成熟可靠，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。