多芯片封裝大功率LED照明應用技術

由于LED光源具有發(fā)光效率高、耗電量少、使用壽命長、安全可靠性強，有利于環(huán)保等特性，近幾年來在城市燈光環(huán)境中得到了應用。特別是在全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下，LED在照明市場的前景更備受全球矚目。自04年起光宇公司投入大量技術力量參與LED技術研究，多年來形成一套具有獨立知識產權的大功率LED照明技術---多芯片封裝大功率LED照明技術。本文針對這一技術的特點，及采用這一技術獲得一些成果進行描述。

一、技術背景

就目前情況來看，市場上LED單管功率通常在1-5W左右，光輸出僅幾百流明。要使LED真正大規(guī)模應用于道路照明等公眾場所，LED光源的光通量必須達到幾千甚至上萬流明，如此高的光輸出量是無法通過單顆芯片來實現的。為滿足如此高的光輸出要求，目前國內外大多采用多顆LED（通常為1W）的光源組合在一個燈具中來滿足高亮度照明的要求，這種方式在一定程度上解決了單顆光源亮度不足的問題。但是，這種工藝存在以下問題：

1、燈具制作過程繁瑣，生產效率低、可靠性不高；

2、燈具的設計受單管LED排列數量和排布方式的限制，生產的燈具在外形美觀和保證性能方面難以兼顧

3、燈具的二次配光設計復雜，難以滿足各類不同照明設計的要求，而且會造成燈具光效降低；

4、數百顆單管LED的連接同一燈具中，必須要求各單管的光電性能參數一致，否則會大大降低的燈具的光電性能和使用性能。

5、在使用過程中容易出現因局部故障導致的盲點，產生暗斑，增加維護成本。

為解決上述技術難題，我公司提出了“多芯片封裝大功率LED照明應用技術”這一課題。

二、主要開展的研究試驗及成果

整個項目實施過程中，主要從熱學、光學、結構、材料及工藝等幾個方面展開研究和試驗工作，項目共設計開發(fā)出1-100W大功率LED光源及LED路燈、隧道燈、巷道燈、泛光燈、工礦燈、室內照明燈六個系列的應用產品，申報了12項國家專利其中發(fā)明專利3項。

1、散熱問題的解決是該項研究課題解決的最為核心、最為關鍵和最基礎的工作。半導體器件PN結在常溫狀態(tài)工作時，理論壽命可以達到100，000小時以上。但是，由于目前LED芯片發(fā)展所處的技術階段，只能使輸入的30%左右的電能轉化光能，70%的電能仍然是以熱的方式存在于芯片上。而熱對半導體器件的損害是非常嚴重的，PN結結溫每升高10度，半導體器件的壽命就減少1倍。因此，如何將PN結產生的熱量及時傳導出去，使得PN結結溫保持在一個較低的水平是保證光源穩(wěn)定可靠工作的前提。

在解決散熱問題過程中，我們采用的指導思想是整體式的、系統(tǒng)性的散熱解決方法：首先建立從芯片到外界環(huán)境的散熱模型；分析模型中影響傳熱的薄弱環(huán)節(jié)，針對這些環(huán)節(jié)提出需要達到的技術指標和解決方案，優(yōu)化模型，完成整個方案設計。模型設計完成后，通過試驗驗證模型的正確性，之后針對已發(fā)現的薄弱環(huán)節(jié)進行針對性的技術攻關。具體的攻關項目包括：高性能導熱材料的研制、光源支架的設計、新工藝的探索和完善。經過大量的試驗和探索，成功地解決了制約大功率半導體照明發(fā)展的散熱問題，取得以下成果：

（1）設計開發(fā)了多款光源支架，有兩款光源支架申報了國家專利，并獲授權，授權專利號為ZL200630125051。3，ZL200630125053。2。成功封裝出LED光源功率可達100W，50WLED光源的光效可達100lm/W。

（2）上述光源導熱出光性能完善的基礎上，采用整體式的、系統(tǒng)性的散熱設計理念，進行燈具散熱結構設計。研究出了導熱絕緣的界面填充材料，減小LED支架與燈具散熱體之間的熱阻；很好的解決了燈具的散熱問題，并建立LED和燈具老化測試系統(tǒng)，考慮可能影響燈具可靠性的相關因素進行研究和試驗，尋找出了影響燈具可靠性和壽命的機理。經過22，633hrs壽命測試顯示，50W大功率LED路燈光衰4。53%圖1為50WLED路燈光衰曲線圖。

圖150WLED路燈光衰曲線圖

（3）完成光源設計、燈具散熱設計后，根據光源的特點及所需場所對燈具配光的要求，采用目前世界流行的配光設計思路，利用先進光學設計模擬軟件，設計出所需配光器的結構，同時模擬出光狀況，進而反復修正配光結構，獲得所需的光學結構。開發(fā)出適合該封裝方式光源的配光器，在完全滿足道路、隧道、遠距離等復雜照明場所對光源配光曲線的要求的基礎上，更加合理、充分的利用了光源發(fā)出的光線，使得燈具的整燈出光效率大大提升。整體燈具的出光效率可達71。96lm/W，圖2為大功率LED路燈配光曲線。

圖2大功率LED路燈配光曲線

（4）完全掌握了LED應用產品的產業(yè)化的關鍵技術和工藝，形成了系列化、多樣化的半導體照明應用產品，開發(fā)出滿足各種室內照明、道路照明、隧道照明、泛光照明、高桿照明、廠礦照明等場所的半導體照明燈具，已應用于多個照明領域，表1為臨汾市鑄鋼路現場照度測試報告。

從表中可以看到：主桿道的平均照度達29。01lx，均勻度0。58，人行道平均照度15。4lx，均勻度0。82，遠遠高于CJJ45-2006《城市道路照明設計標準》的要求。

三、結語

多芯片封裝大功率LED照明應用技術，成功開發(fā)出功率為1W~100W的光源，單顆光源光輸出量超過8000lm，光效大于100lm/W經22，633小時實際測試，光源光通維持率仍然保持在95%以上，光源穩(wěn)定性高；的光源；并開發(fā)出了適合于面光源，且滿足道路照明的配光器并成功實現成果轉化，目前LED路燈、投光燈、隧道燈、工業(yè)企業(yè)照明燈、室內照明燈已批量生產，產品性能行業(yè)領先，這對LED應用于普通照明領域起到了至關重要的作用。