大功率LED照明技術探討

高亮度發(fā)光二極管(LED)以其耗電量小、壽命長、響應速度快、無頻閃、體積小、無污染、易集成化等特點，正在成為傳統(tǒng)照明產業(yè)升級換代的新一代光源。在節(jié)能減排、保護環(huán)境日益受到關注的今天，半導體照明更是成為新的經濟增長點，因而受到世界各國政府、科技界與產業(yè)界的高度重視。迄今，美、日、歐、中國大陸及中國臺灣等均已推出各自的半導體照明計劃，大功率LED照明產業(yè)已成為最受矚目的產業(yè)之一。

值得注意的是，迄今上游外延芯片技術已基本成熟和定型，價廉物美的LED芯片已能夠滿足照明的需求，現在定價權正向中游封裝和下游應用終端市場轉移和發(fā)展。這意味著誰能將芯片應用好、制造出長壽命、高功效的大功率LED照明產品，誰就有可能成為LED產業(yè)的最終贏家。大功率LED照明封裝和應用方面的問題隨之凸顯出來，其中最為關鍵的就是如何解決大功率LED照明的散熱難題，這不僅是結構設計和工程應用等方面的技術問題，而且還涉及熱管理模式和流體力學等科學問題。與現有“芯片一鋁基板一散熱三層結構”大功率LED系列照明技術完全不同，我們研制的“芯片一散熱一體化(二層結構)集成式大功率LED照明系列燈具”，在技術路線方面可能具有革命性和顛覆性的意義，將成為大功率LED照明產業(yè)一個新的發(fā)展方向。

1 、大功率LED照明產品現狀

目前，LED的發(fā)光效率能使約30％ 的電能轉換成光，其余70％ 的電能幾乎都轉換成熱能，使LED的溫度升高。小功率LED由于其發(fā)熱量非常小，基本上不用采取散熱措施就能被很好地應用，例如儀表燈、信號燈、小尺寸液晶屏幕背光源等。但對于大功率LED，當應用于商業(yè)建筑、道路、隧道、工礦等照明領域時，其散熱就是個大問題了。如果LED芯片的熱量不能散出去，會加速芯片的老化、光衰、色偏移、縮短LED的壽命。因此，大功率LED照明系統(tǒng)的結構模式和熱管理設計十分重要。

現在市場上所有大功率LED照明燈具均采用“芯片一鋁基板一散熱器三層結構模式”，即先將芯片封裝在鋁基板上形成LED光源模塊，然后將光源模塊安置在散熱器上制造成大功率LED照明燈具。
應該指出的是，目前大功率LED的熱管理系統(tǒng)仍沿用LED早期用于指示燈和顯示燈的方式，屬于小功率LED的熱管理模式。采用“芯片一鋁基板一散熱器三層結構模式”制備大功率LED照明，在系統(tǒng)結構方面存在明顯不合理的地方，如結構之間接觸熱阻多、結溫高、散熱效率低，所以芯片釋放出來的熱不能有效地導出和散出，導致LED照明燈具光效低、光衰大、壽命短，不能滿足照明需求。

如何提高封裝散熱能力是現階段大功率LED亟待解決的關鍵技術之一。LED照明產品的發(fā)展方向和重點是：高功率、低熱阻、高出光、低光衰、體積小、重量輕，因而使得對LED的散熱效率要求越來越高。

但是由于受結構、成本和功耗等諸多因素的限制，大功率LED照明難以采用主動散熱機制，而只能采用被動式散熱機制，但被動式散熱具有較大的局限性；而且LED的能量轉換效率較低，目前仍然約有70％轉換為熱，即使光效再提高1倍也還有40％ 的能量轉化為熱。也就是說，很難提高到不用考慮散熱的程度，所以從長遠看，大功率LED照明的散熱問題將是一個長期存在的問題。

現在大功率LED應用于照明的時機已經成熟，研制高效的自然散熱的熱管理系統(tǒng)，已成為大功率LED照明實現產業(yè)化的先決條件和關鍵因素。因此，需要新的技術路線及系統(tǒng)結構來徹底解決大功率LED照明散熱問題。

2 、大功率LED照明產業(yè)新的技術路線

針對現有大功率LED照明散熱技術存在多熱阻、散熱能力低的問題，我們試圖通過“芯片一散熱一體化(二層結構)模式”解決大功率LED照明光效低、光衰嚴重、成本高等系列問題。

2.1 技術路線

“芯片一散熱一體化(二層結構)模式”，不僅去除了鋁基板結構，而且還將多個芯片集中直接安置在散熱體上，組成多芯片模組單光源，制備成集成式大功率LED燈具，光源為單顆，呈面光源或集束式光源。

2.2 技術關鍵

如何增強對芯片的導熱能力，減少熱阻界面層，涉及到熱管理系統(tǒng)結構模式、流體力學以及超熱導材料工程應用等問題；如何有效控制散熱基體的熱儲量，規(guī)劃對流散熱路徑，建立高效自然對流散熱體系，主要從燈具結構設計著手。

2.3 技術方案

通過改變LED光源封裝結構、散熱結構和燈具結構模式，來減少熱阻層；應用超熱導材料，增加芯片熱源的導熱性能；基于“芯片一散熱一體化二層結構”優(yōu)化熱管理系統(tǒng)，增加空氣的流動，形成自然對流散熱。

2.4 設計思路

采取模組化方式制備高功率LED燈具。將光源、散熱、外形結構等封裝成一個整體模組，而模組之間又相互獨立，任何一個模組都能被單獨更換，當一個部分發(fā)生故障時，只需更換故障模組，而無須更換其他模組或整體更換就能繼續(xù)正常工作。燈具的所有模組部分都能徒手拆裝，實現方便、快捷、低成本的維護。

2.5 設計要點

對系統(tǒng)模組化，除了滿足燈具的散熱、更換要求外，還必須滿足LED照明燈具的光學(光學效率)需求、造型(市場)需求。

3 、芯片一散熱一體化結構簡介

“芯片一散熱一體化(二層結構)模式”是一種新型的LED光源封裝模式、結構模式和熱管理系統(tǒng)模式。利用該技術模式制備出的大功率LED照明燈具，不僅徹底解決了散熱問題，而且還有效地解決了諸如在配光、光效、壽命和維護等方面的問題，已經開發(fā)出長壽命、高光效的大功率LED系列產品，如路燈、筒燈、隧道燈、工礦燈、汽車前大燈、景觀燈等照明設備。

3.1 技術特點

3.1.1 將芯片和鋁合金+超熱導材料復合基體(散熱器)連接為一體，應用獨特的大功率LED封裝技術，將多個芯片集中直接封裝在散熱基體上，使芯片與散熱基體之間的熱阻更小，整個散熱基體就是一個完整的燈具，形成集成式大功率LED照明部件。

3.1.2 基于仿生學原理設計熱管理系統(tǒng)，建立了芯片一散熱一體化二層結構熱阻模型，對其進行了結溫計算和壽命預測。

芯片一散熱一體化二層結構的特點是熱源芯片直接封裝在散熱器上，隨著發(fā)熱源的溫度升高，空氣在多孔狀散熱器中發(fā)生流動，多孔為空氣對流提供了流動通道，熱被自動散發(fā)出來，確保芯片在安全使用溫度范圍內正常工作。先進的導熱和熱對流系統(tǒng)確保良好的散熱效果，進一步提高了芯片的發(fā)光效率。

3.1.3 將芯片(45mil×45mi1)進行集成式封裝(芯片集中在一個小區(qū)域)，得到光效較高的面光源，具有光通量密度高、總光通量高、低眩光的特點。

目前，運用上述技術已制備出了“芯片一散熱一體化(二層結構)模式”大功率LED照明燈具，如路燈、隧道燈、筒燈、射燈等。此外，目前大功率LED汽車前大燈均需要電風扇加強散熱，難于滿足市場化應用需求，利用二層結構制成的集束式大功率LED汽車前大燈，解決了目前汽車燈行業(yè)采用LED光源制造汽車前大燈的局限性

3.2 產品技術指標及優(yōu)勢
(1)高效散熱：采用自然散熱方式，徹底解決大功率LED散熱難題(溫差4℃ ，散熱器溫度60℃，在環(huán)境溫度>35℃ 的條件下實測)；
(2)大電流：供給芯片的額定電流每顆為400— 450mA；
(3)高光效：整燈光效達到了90．9 lm／W；
(4)長壽命：>50 000h；
(5)光衰?。簢覠艟哔|量監(jiān)督檢驗中心檢測結果為：1 000h壽命測試無光衰；
(6)集成式：該集成式為COR (Chip On　Radiator)，即芯片集成直接粘接在散熱器上，與集成粘接在鋁基板上的COB(Chip On Board)集成式完全不同。集成芯片為單顆，呈面光源、單光源或集束式
光源(安裝玻璃透鏡)射出；
(7)照明效果與傳統(tǒng)的非LED光源一樣，不改變人類的用光習慣；
(8)結構簡單：便于維護，無需整體更換。

4 、大功率LED照明產業(yè)技術發(fā)展方向

目前，對于大功率LED照明產業(yè)的技術路線，我們認為有兩條路可選擇：一條路是繼續(xù)沿著“芯片一鋁基板一散熱器(三層結構)模式”技術路線發(fā)展；另一條路是開拓“芯片一散熱一體化(二層結構)模式”技術路線。“芯片一散熱一體化結構”是一種新興技術，在這種結構中，除芯片外，其他均為全新的內容，包括芯片一散熱一體化、封裝、電源、成套裝備、檢測、甚至標準等，它使得大功率LED照明產品在壽命、光效、品質、設計、可控性、成本等方面相對“芯片一鋁基板一散熱器三層結構模式”有明顯的優(yōu)勢，是中國在大功率高效半導體固態(tài)照明研究、應用和產業(yè)化方面可以大有作為的一個新領域。