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改进散热结构以进步白光LED的使用寿命的探究

过去LED业者为了获利充分的白光LED光束,曾经开发大尺寸LED芯片试图藉此方式达成预期目标,不过实际上白光LED的施加电力持续超过1W以上时光束反而会下降,发光效率则相对降低20~30%,换句话说白

曩昔LED业者为了获利充沛的白光LED光束,从前开发大尺度LED芯片企图藉此办法到达预期方针,不过实际上白光LED的施加电力继续逾越1W以上时光束反而会下降,发光功率则相对下降20~30%,换句话说白光LED的亮度假如要比传统LED大数倍,消费电力特性期望逾越荧光灯的话,就必需先战胜下列的四大课题,包括,按捺温升、保证运用寿数、改进发光功率,以及发光特性均等化。

  有关温升问题具体办法是下降封装的热阻抗;保持LED的运用寿数具体办法,是改进芯片外形、选用小型芯片;改进LED的发光功率具体办法是改进芯片结构、选用小型芯片;至于发光特性均匀化具体办法是LED的改进封装办法,而这些办法现已接连被开发中。

  处理封装的散热问题才是底子办法

  因为添加电力反而会形成封装的热阻抗急遽降至10K/W以下,因而国外业者从前开发耐高温白光LED企图藉此改进上述问题,但是实际上大功率LED的发热量却比小功率LED高数十倍以上,并且温升还会使发光功率大幅跌落,即便封装技能答应高热量,不过LED芯片的接合温度却有或许逾越容许值,最终业者总算领悟到处理封装的散热问题才是底子办法。

  有关LED的运用寿数,例如改用硅质封装资料与陶瓷封装资料,能使LED的运用寿数前进一位数,尤其是白光LED的发光频谱含有波长低于450nm短波长光线,传统环氧树脂封装资料极易被短波长光线损坏,高功率白光LED的大光量更加快封装资料的劣化,依据业者测验成果显现接连点灯不到一万小时,高功率白光LED的亮度现已下降一半以上,底子无法满意照明光源长命命的基本要求。

  有关LED的发光功率,改进芯片结构与封装结构,都能够到达与低功率白光LED相同水平,首要原因是电流密度前进2倍以上时,不光不容易从大型芯片取出光线,成果反而会形成发光功率不如低功率白光LED的困境,假如改进芯片的电极结构,理论上就能够处理上述取光问题。

  设法削减热阻抗、改进散热问题

  有关发光特性均匀性,一般以为只需改进白光LED的荧光体资料浓度均匀性与荧光体的制造技能,应该能够战胜上述困扰。如上所述前进施加电力的一起,必需设法削减热阻抗、改进散热问题,具体内容分别是:下降芯片到封装的热阻抗、按捺封装至印刷电路基板的热阻抗、前进芯片的散热顺利性。

  为了要下降热阻抗,许多国外LED厂商将LED芯片设在铜与陶瓷资料制成的散热鳍片(heat sink)外表,接着再用焊接办法将印刷电路板上散热用导线,连接到运用冷却电扇强制空冷的散热鳍片上,依据德国OSRAM Opto Semiconductors Gmb试验成果证明,上述结构的LED芯片到焊接点的热阻抗能够下降9K/W,大约是传统LED的1/6左右,封装后的LED施加2W的电力时,LED芯片的接合温度比焊接点高18K,即便印刷电路板温度上升到500C,接合温度顶多只要700C左右;相较之下以往热阻抗一旦下降的话,LED芯片的接合温度就会遭到印刷电路板温度的影响,如此一来必需设法下降LED芯片的温度,换句话说下降LED芯片到焊接点的热阻抗,能够有用减轻LED芯片降温作业的担负。反过来说即便白光LED具有按捺热阻抗的结构,假如热量无法从封装传导到印刷电路板的话,LED温度上升的成果发光功率会急遽跌落,因而松下电工开发印刷电路板与封装一体化技能,该公司将1mm正方的蓝光LED以flip chip办法封装在陶瓷基板上,接着再将陶瓷基板粘贴在铜质印刷电路板外表,依据松下表明包括印刷电路板在内模块全体的热阻抗大约是15K/W左右。

  各业者展示散热规划功力

  因为散热鳍片与印刷电路板之间的密着性直接左右热传导作用,因而印刷电路板的规划变得非常复杂,有鉴于此美国Lumileds与日本CITIZEN等照明设备、LED封装厂商,相继开发高功率LED用简易散热技能,CITIZEN在2004年开端样品出货的白光LED封装,不需要特别接合技能也能够将厚约2~3mm散热鳍片的热量直接排放到外部,依据该CITIZEN表明尽管LED芯片的接合点到散热鳍片的30K/W热阻抗比OSRAM的9K/W大,并且在一般环境下室温会使热阻抗添加1W左右,不过即便是传统印刷电路板无冷却电扇强制空冷状态下,该白光LED模块也能够接连点灯运用。

  Lumileds于2005年开端样品出货的高功率LED芯片,接合容许温度更高达+1850C,比其它公司同级产品高600C,运用传统RF4印刷电路板封装时,周围环境温度400C范围内能够输入相当于1.5W电力的电流(大约是400mA) 。所以Lumileds与CITIZEN使采纳前进接合点容许温度,德国OSRAM公司则是将LED芯片设在散热鳍片外表,到达9K/W超低热阻抗记载,该记载比OSRAM曩昔开发同级品的热阻抗削减40%,值得一提是该LED模块封装时,选用与传统办法相同的flip chip办法,不过LED模块与热鳍片接合时,则挑选最接近LED芯片发光层作为接合面,藉此使发光层的热量能够以最短间隔传导排放。

  2003年东芝Lighting从前在400mm正方的铝合金外表,铺设发光功率为60lm/W低热阻抗白光LED,无冷却电扇等特别散热组件前提下,试作光束为300lm的LED模块,因为东芝Lighting具有丰厚的试作经历,因而该公司表明因为模仿剖析技能的前进,2006年之后逾越60lm/W的白光LED,都能够轻松运用灯具、框体前进热传导性,或是运用冷却电扇强制空冷办法规划照明设备的散热,不需要特别散热技能的模块结构也能够运用白光LED。

  改动封装材按捺原料劣化与光线穿透率下降的速度

  有关LED的长命化,现在LED厂商采纳的对策是改动封装资料,一起将荧光资料涣散在封装资料内,尤其是硅质封装资料比传统蓝光、近紫外光LED芯片上方环氧树脂封装资料,能够更有用按捺原料劣化与光线穿透率下降的速度。因为环氧树脂吸收波长为400~450nm的光线的百分比高达45%,硅质封装资料则低于1%,辉度折半的时刻环氧树脂不到一万小时,硅质封装资料能够延伸到四万小时左右,简直与照明设备的规划寿数相同,这意味着照明设备运用期间不需替换白光LED。不过硅质树脂归于高弹性柔软资料,加工上必需运用不会刮伤硅质树脂外表的制造技能,此外制程上硅质树脂极易附着粉屑,因而未来必需开发能够改进外表特性的技能。

  尽管硅质封装资料能够保证LED四万小时的运用寿数,但是照明设备业者却呈现不同的观点,首要争辩是传统白炽灯与荧光灯的运用寿数,被界说成「亮度降至30%以下」,亮度折半时刻为四万小时的LED,若换算成亮度降至30%以下的话,大约只剩二万小时左右。现在有两种延伸组件运用寿数的对策,分别是,按捺白光LED全体的温升,和停止运用树脂封装办法。

  一般以为假如完全履行以上两项延寿对策,能够到达亮度30%四万小时的要求。按捺白光LED温升能够选用冷却LED封装印刷电路板的办法,首要原因是封装树脂高温状态下,加上强光照耀会快速劣化,按照阿雷纽斯规律温度下降100C寿数会延伸2倍。停止运用树脂封装能够完全消除劣化要素,因为LED发生的光线在封装树脂内反射,假如运用能够改动芯片旁边面光线跋涉方向的树脂原料反射板,因为反射板会吸收光线,所以光线的取出量会急遽锐减,这也是LED厂商共同选用陶瓷系与金属系封装资料首要原因。

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