基于提高LED光源耐溫性能的實(shí)驗(yàn)探討(二)

作者：汪峰

　　前言

　　半導(dǎo)體照明是本世紀(jì)一場技術(shù)革命，從技術(shù)成熟角度看它還是個(gè)嬰兒，雖然LED大功率白光技術(shù)發(fā)展很快，然而LED光衰、散熱、成本這三個(gè)與生俱來的痼疾仍然是LED照明普及發(fā)展的攔路虎。LED光衰、散熱貫穿了從芯片制造、封裝制程、材料選擇、燈具開發(fā)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，目前業(yè)界對光衰的概念、產(chǎn)生的原因以及如何解決還認(rèn)識不足，理論尚無權(quán)威解釋，國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)難以出臺，以致出現(xiàn)人云亦云、你抄我搬稀奇古怪的技術(shù)亂象，長期以來人們拼命圍繞用散熱方法來減少LED光衰，然而見效甚微。解決LED光衰成為業(yè)界共同關(guān)心、翹首以待的技術(shù)難題,人們不禁要問：設(shè)計(jì)師為何不另辟蹊徑從源頭深入尋找LED光衰的原因？筆者對提高LED光源的耐溫特性可減少LED光衰從理論和實(shí)踐進(jìn)行了深入探討，將陸續(xù)推出相關(guān)文章和實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

　　關(guān)鍵詞

　　LED光效、LED熱阻、LED光衰、WFCOB光源、LED模組照明燈

　　目錄

　　第一章

　　一、 LED光效：區(qū)分瞬態(tài)光效和穩(wěn)態(tài)光效的意義

　　二、 LED熱阻：區(qū)分光源內(nèi)部熱阻和光源外部熱阻的意義

　　三、LED光衰：光通量下降不等于光衰，LED不可逆的損傷=光衰

　　第二章

　　四、LED光衰原因

　　五、提高LED光源的耐溫特性可減少LED光衰

　　六、為何要提高LED光源的耐溫度特性

　　七、如何讓LED光源耐受高溫

　　第三章

　　七、鋁基板完全沒必要做到3750V耐壓

　　八、如何解決驅(qū)動電源這塊短板

　　第四章

　　九、介紹一種WFCOB光源

　　第五章

　　十、介紹一種LED模組照明燈

　　第二章

　　四、LED光衰原因

　　1,LED光衰是光源材料損傷而引起的不可逆轉(zhuǎn)的衰減失效現(xiàn)象

　　LED光衰是指LED經(jīng)過一段時(shí)間的點(diǎn)亮后，其光強(qiáng)會比原來的光強(qiáng)要低，而低了的部分就是LED的光衰，目前我國尚未制定LED光衰標(biāo)準(zhǔn)，行業(yè)內(nèi)部規(guī)定 5000H小時(shí)光通量維持率≥70%，認(rèn)為失效。

　　2,光通量下降不等于光衰

　　眾所周知 LED工作之后其光強(qiáng)會隨著芯片結(jié)溫升高而下降，光效隨之降低，這是半導(dǎo)體隨溫度變化的固有的物理特性。只要LED光源某個(gè)部件不超過溫度極限而損傷， LED停止待溫度復(fù)原后其光強(qiáng)値還會恢復(fù)如初，也就是說LED不管工作多久，只要初始光強(qiáng)不變就不能認(rèn)定為光衰。筆者認(rèn)為，LED光衰是指LED光源因某種材料損傷不再恢復(fù)的失效現(xiàn)象, 亦即LED光源在所規(guī)定的時(shí)間內(nèi)無損光通量(初始光強(qiáng))與有損光通量(衰減不可恢復(fù)光強(qiáng))之比值。

　　3,LED光源光衰的主要原因是膠體耐溫不夠

　　眾所周知，芯片(包括熒光粉)屬無機(jī)材料，實(shí)驗(yàn)證明芯片和熒光粉在二、三百度高溫工作原則上不成問題。從光源系統(tǒng)講，導(dǎo)致LED光衰的主要原因是膠體耐溫不夠，目前最好的封裝膠耐溫僅一百多度，測試證明一個(gè)50W的集成光源在足夠大的散熱器工作時(shí)膠體溫度往往高達(dá)200多度，無論是灌封膠還是PPA在長時(shí)期高溫運(yùn)行必然會造成膠體龜裂、碳化，與芯片分離進(jìn)而造成光衰。

　　從燈具系統(tǒng)講導(dǎo)致LED光衰與系統(tǒng)熱阻有關(guān)，包括散熱通道、散熱材料、散熱方式、及與溫度有關(guān)的部件等等。

　　LED光源的光衰是由支架結(jié)構(gòu)、芯片、熒光粉品質(zhì)、膠體耐溫性能、封裝工藝廠等條件決定，這些條件都由封裝廠選定，而首選是封裝支架和膠體的耐侯性。從某種意義講，LED封裝的核心技術(shù)應(yīng)該是封裝支架研發(fā)和制造技術(shù)，它決定LED光源的用途、功能及性價(jià)比。

　　五、提高LED光源的耐溫特性可減少LED光衰

　　1. 為何要提高LED光源的耐溫度特性

　　眾所周知LED屬于半導(dǎo)體低溫發(fā)熱器件，低溫?zé)嵩丛谧匀簧釛l件下散熱效率很低，LED因?yàn)闊嵩赐ㄟ^對流和輻射將熱量傳到空氣中，如果LED散熱器溫度與環(huán)境溫度相差很小，再加大散熱器面積其散熱量變化甚微。理論研究表明，輻射散熱量與溫度的4次方成正比：Q= εσ S(T w 4 －T0 4 )，溫差越大熱量散發(fā)越多。亦即在相同環(huán)境溫度下散熱器溫度越高、所散發(fā)的熱量越多。因此適當(dāng)提高散熱器的工作溫度，控制在LED光源長時(shí)工作后穩(wěn)態(tài)光效無大變化而不發(fā)生光衰為原則。這種提高LED光源耐高溫的設(shè)計(jì)思路，不僅僅是基于平衡散熱與成本考量，更主要是讓LED光源在較高溫度下安全工作而不發(fā)生光衰。這樣不僅可減少散熱器用量和成本，而且還可加大芯片的工作電流的承載能力，同時(shí)達(dá)到減少LED光衰延長使用壽命目的，是一舉多得的設(shè)計(jì)革命。

　　2. 如何讓LED光源耐受高溫

　　自從LED問世以來，業(yè)界付出了巨大投資去研究LED光衰。LED散熱牽動著每個(gè)從事LED人的神經(jīng)，想盡了很多辦法，其中：

　　*倒裝技術(shù)： 倒裝芯片技術(shù)早在10年前國外大公司投巨資研究，旨在免用襯底膠晶粒直焊技術(shù)，不僅免除了正倒裝芯片在表面打線致命傷，還可通過直焊技術(shù)有效降低封裝熱阻，讓光源耐受高溫,業(yè)界普遍認(rèn)為是LED封裝的前沿技術(shù)。但是人們要問：經(jīng)過這多年研究實(shí)驗(yàn)，為何倒裝技術(shù)遲遲不能取代正裝芯片技術(shù)而成為主流？其根本原因是：倒裝早期工藝不僅依賴陶瓷基板，還要依賴鋁 (銅)基板，由于（兩次）過錫焊要經(jīng)受280度高溫，會對材料和部件造成損傷。陶瓷基板和金屬基板相比反光率不高，瞬態(tài)光效難以提高，陶瓷基板的導(dǎo)熱率和芯片接觸面積有限也決定了穩(wěn)態(tài)光效難以提高。加工成型和安裝都不如金屬基板簡單方便，倒裝工藝兩次過錫焊和陶瓷基板 +鋁基板雙重?zé)嶙枳阋詫⑸鲜鰞?yōu)勢抵消怠盡。另外，倒裝工藝的熱壓焊、回流焊等設(shè)備價(jià)格貴，且不成熟，考驗(yàn)倒裝技術(shù)未來前途還是LM元值，亦即光效第一，價(jià)格為王。所以造成了小廠觀望，大廠產(chǎn)品推廣困難尷尬局面。倒裝芯片技術(shù)未來發(fā)展方向一是與鏡面鋁COM聯(lián)姻，二是與熒光薄膜嫁接。

　　*,熒光粉遠(yuǎn)離芯片技術(shù)

　　熒光粉與灌封膠將芯片緊緊包裹，嚴(yán)重影響散熱。讓熒光粉遠(yuǎn)離芯片，可以降低光源封裝熱阻。國際上熒光粉與芯片分離技術(shù)專利多達(dá)兩三百項(xiàng)，但至今市場尚未見到這類產(chǎn)品成功問世，原因是該技術(shù)的難點(diǎn)在于熒光粉遠(yuǎn)離芯片后如何改變層間介質(zhì)折光匹配，以及芯片與金線裸露如何得到防護(hù)也是該技術(shù)難點(diǎn)。目前有些廠用熒光薄膜在小量功率光源實(shí)驗(yàn)，但制造工藝及材料耐侯性尚未成熟，熒光粉遠(yuǎn)離芯片技術(shù)不僅可以降低光源封裝熱阻，更重要的是可革除封裝廠中的混膠、抽真空、烘烤等繁雜工藝。一旦突破無疑將是一場改變封裝格局的技術(shù)革命。

　　*, 液冷散熱技術(shù)

　　將芯片浸入冷卻液的散熱方法，是讓LED浸泡在透光導(dǎo)熱的液體之中。由于液體的熱流交換將熱能快速傳遞和耗散。只要芯片與導(dǎo)熱液存在溫差，其熱流交換永不停止。它可有大大降低封裝熱阻，是非常好的設(shè)計(jì)思路。國內(nèi)外不少專家提出這種方法，專利不計(jì)其數(shù)。但實(shí)際設(shè)計(jì)中，在一狹小封裝空間注入液體冷卻，并經(jīng)受高低溫反復(fù)變化而不會漏液，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度很大。

　　*.采用集成(COB) 封裝，相對多顆小功率陣列來說，因?yàn)楣鈴?qiáng)與散熱并聯(lián)，可增加光強(qiáng)/熱阻比。

　　*.革去襯底膠、革去灌封膠，革去圍壩膠高溫易損材料，提高光源耐溫特性。

　　*.減少光路全反射，優(yōu)化出光角度，提高LED光源岀光效率，減少系統(tǒng)發(fā)熱。

　　*.革去鋁基板，可提高穩(wěn)態(tài)光效與瞬態(tài)光效比。

　　*.減少透鏡配光損耗。

　　*.減少防護(hù)構(gòu)件的擋光損耗。

　　結(jié)語

　　LED屬于半導(dǎo)體低溫發(fā)熱器件，低溫?zé)嵩丛谧匀簧釛l件下散熱效率很低,在相同環(huán)境溫度下溫差越大熱量散發(fā)越多。散熱器溫度越高、所散發(fā)的熱量越多。因此適當(dāng)提高熱器的工作溫度，控制在LED光源長時(shí)工作后不發(fā)生光衰為原則?？捎行p少LED光衰。這種設(shè)計(jì)思路，這樣不僅可減少散熱器用量和成本，而且還可加大芯片的工作電流的承載能力，同時(shí)達(dá)到減少LED光衰延長使用壽命目的，是一舉多得的設(shè)計(jì)革命。