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基于提高LED光源耐温性能的实验探讨(二)

   作者:汪峰

   前言

   半导体照明是本世纪一场技术革命,从技术成熟角度看它还是个婴儿,虽然LED大功率白光技术发展很快,然而LED光衰、散热、成本这三个与生俱来的痼疾仍然是LED照明普及发展的拦路虎。LED光衰、散热贯穿了从芯片制造、封装制程、材料选择、灯具开发整个产业链,目前业界对光衰的概念、产生的原因以及如何解决还认识不足,理论尚无权威解释,国家相关标准难以出台,以致出现人云亦云、你抄我搬稀奇古怪的技术乱象,长期以来人们拼命围绕用散热方法来减少LED光衰,然而见效甚微。解决LED光衰成为业界共同关心、翘首以待的技术难题,人们不禁要问:设计师为何不另辟蹊径从源头深入寻找LED光衰的原因?笔者对提高LED光源的耐温特性可减少LED光衰从理论和实践进行了深入探讨,将陆续推出相关文章和实验报告。

   关键词

   LED光效、LED热阻、LED光衰、WFCOB光源、LED模组照明灯

   目录

   第一章

   一、 LED光效:区分瞬态光效和稳态光效的意义

   二、 LED热阻:区分光源內部热阻和光源外部热阻的意义

   三、 LED光衰:光通量下降不等于光衰,LED不可逆的损伤=光衰

   第二章

   四、LED光衰原因

   五、提高LED光源的耐温特性可减少LED光衰

   六、为何要提高LED光源的耐温度特性

   七、如何让LED光源耐受高温

   第三章

   七、铝基板完全没必要做到3750V耐压

   八、如何解决驱动电源这块短板

   第四章

   九、介绍一种WFCOB光源

   第五章

   十、介绍一种LED模组照明灯

    

   第二章

   四、 LED光衰原因

   1,LED光衰是光源材料损伤而引起的不可逆转的衰减失效现象

   LED光衰是指LED经过一段时间的点亮后,其光强会比原来的光强要低,而低了的部分就是LED的光衰,目前我国尚未制定LED光衰标准,行业内部规定 5000H小时光通量维持率≥70%,认为失效。

   2,光通量下降不等于光衰

   众所周知 LED工作之后其光强会随着芯片结温升高而下降,光效随之降低,这是半导体随温度变化的固有的物理特性。只要LED光源某个部件不超过温度极限而损伤, LED停止待温度复原后其光强値还会恢复如初,也就是说LED不管工作多久,只要初始光强不变就不能认定为光衰。笔者认为,LED光衰是指LED光源因某种材料损伤不再恢复的失效现象, 亦即LED光源在所规定的时间内无损光通量(初始光强)与有损光通量(衰减不可恢复光强)之比值。

   3,LED光源光衰的主要原因是胶体耐温不够

   众所周知,芯片(包括荧光粉)属无机材料,实验证明芯片和荧光粉在二、三百度高温工作原则上不成问题。从光源系统讲,导致LED光衰的主要原因是胶体耐温不够,目前最好的封装胶耐温仅一百多度,测试证明一个50W的集成光源在足够大的散热器工作时胶体温度往往高达200多度,无论是灌封胶还是PPA在长时期高温运行必然会造成胶体龟裂、碳化,与芯片分离进而造成光衰。

基于提高LED光源耐温性能的实验探讨

   从灯具系统讲导致LED光衰与系统热阻有关,包括散热通道、散热材料、散热方式、及与温度有关的部件等等。

   LED光源的光衰是由支架结构、芯片、荧光粉品质、胶体耐温性能、封装工艺厂等条件决定,这些条件都由封装厂选定,而首选是封装支架和胶体的耐侯性。从某种意义讲,LED封装的核心技术应该是封装支架研发和制造技术,它决定LED光源的用途、功能及性价比。

   五、提高LED光源的耐温特性可减少LED光衰

   1. 为何要提高LED光源的耐温度特性

   众所周知LED属于半导体低温发热器件,低温热源在自然散热条件下散热效率很低,LED因为热源通过对流和辐射将热量传到空气中,如果LED散热器温度与环境温度相差很小,再加大散热器面积其散热量变化甚微。理论研究表明,辐射散热量与温度的4次方成正比:Q= εσ S(T w 4 -T0 4 ),温差越大热量散发越多。亦即在相同环境温度下散热器温度越高、所散发的热量越多。因此适当提高散热器的工作温度,控制在LED光源长时工作后稳态光效无大变化而不发生光衰为原则。这种提高LED光源耐高温的设计思路,不仅仅是基于平衡散热与成本考量,更主要是让LED光源在较高温度下安全工作而不发生光衰。这样不仅可减少散热器用量和成本,而且还可加大芯片的工作电流的承载能力,同时达到减少LED光衰延长使用寿命目的,是一举多得的设计革命。

   2. 如何让LED光源耐受高温

   自从LED问世以来,业界付出了巨大投资去研究LED光衰。LED散热牵动着每个从事LED人的神经,想尽了很多办法,其中:

   *倒装技术: 倒装芯片技术早在10年前国外大公司投巨资研究,旨在免用衬底胶晶粒直焊技术,不仅免除了正倒装芯片在表面打线致命伤,还可通过直焊技术有效降低封装热阻,让光源耐受高温,业界普遍认为是LED封装的前沿技术。但是人们要问:经过这多年研究实验,为何倒装技术迟迟不能取代正装芯片技术而成为主流?其根本原因是:倒装早期工艺不仅依赖陶瓷基板,还要依赖铝 (铜)基板,由于(两次)过锡焊要经受280度高温,会对材料和部件造成损伤。陶瓷基板和金属基板相比反光率不高,瞬态光效难以提高,陶瓷基板的导热率和芯片接触面积有限也决定了稳态光效难以提高。加工成型和安装都不如金属基板简单方便,倒装工艺两次过锡焊和陶瓷基板 +铝基板双重热阻足以将上述优势抵消怠尽。另外,倒装工艺的热压焊、回流焊等设备价格贵,且不成熟,考验倒装技术未来前途还是LM\元值,亦即光效第一,价格为王。所以造成了小厂观望,大厂产品推广困难尴尬局面。倒装芯片技术未来发展方向一是与镜面铝COM联姻,二是与荧光薄膜嫁接。

   *,荧光粉远离芯片技术

   荧光粉与灌封胶将芯片紧紧包裹,严重影响散热。让荧光粉远离芯片,可以降低光源封装热阻。国际上荧光粉与芯片分离技术专利多达两三百项,但至今市场尚未见到这类产品成功问世,原因是该技术的难点在于荧光粉远离芯片后如何改变层间介质折光匹配,以及芯片与金线裸露如何得到防护也是该技术难点。目前有些厂用荧光薄膜在小量功率光源实验,但制造工艺及材料耐侯性尚未成熟,荧光粉远离芯片技术不仅可以降低光源封装热阻,更重要的是可革除封装厂中的混胶、抽真空、烘烤等繁杂工艺。一旦突破无疑将是一场改变封装格局的技术革命。

   *, 液冷散热技术

   将芯片浸入冷却液的散热方法,是让LED浸泡在透光导热的液体之中。由于液体的热流交换将热能快速传递和耗散。只要芯片与导热液存在温差,其热流交换永不停止。它可有大大降低封装热阻,是非常好的设计思路。国内外不少专家提出这种方法,专利不计其数。但实际设计中,在一狭小封装空间注入液体冷却,并经受高低温反复变化而不会漏液,其结构设计难度很大。

   *.采用集成(COB) 封装,相对多颗小功率阵列来说,因为光强与散热并联,可增加光强/热阻比。

   *.革去衬底胶、革去灌封胶,革去围坝胶高温易损材料,提高光源耐温特性。

   *.减少光路全反射,优化出光角度,提高LED光源岀光效率,減少系统发热。

   *.革去铝基板,可提高稳态光效与瞬态光效比。

   *.减少透镜配光损耗。

   *.减少防护构件的挡光损耗。

   结语

   LED属于半导体低温发热器件,低温热源在自然散热条件下散热效率很低,在相同环境温度下温差越大热量散发越多。散热器温度越高、所散发的热量越多。因此适当提高热器的工作温度,控制在LED光源长时工作后不发生光衰为原则。可有效减少LED光衰。这种设计思路,这样不仅可减少散热器用量和成本,而且还可加大芯片的工作电流的承载能力,同时达到减少LED光衰延长使用寿命目的,是一举多得的设计革命。

    

   作者介绍

   汪峰,男1941年生,天津市人,大学文化,工程师。先后从事过技师、总工、厂长、公司经理等任职。有较深电子和机械结构技术功底,十多年从事LED系统设计经验,拥有多项LED发明专利。有较强的技术研发和项目管理能力,有一定行业关系和社会资源。

   联系电话: 13430533163 QQ:2099233562

   Email:wf1263@163.com

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