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如何降低大功率白光LED灯的耗电问题

以前LED业者为了获利充分的白光LED光束,曾经开拓大年夜尺寸LED芯片试图借此要领杀青预期目标,不过实际上白光LED的施加电力持续跨越1W以上韶光束反而会下降,发光效率则相对低落20~30%,换句话说白光LED的亮度假如要比传统LED大年夜数倍,破费电力特点盼望逾越荧光灯的话,就必需先降服下列的四大年夜课题:a.抑制温升;b.确保应用寿命;c.改良发光效率;d.发光特点均等化。

有关温升问题详细措施是低落封装的热阻抗;保持LED的应用寿命详细措施,是改良芯片形状、采纳小型芯片;改良LED的发光效率详细措施是改良芯片布局、采纳小型芯片;至于发光特点平均化详细措施是LED的改良封装措施,一样平常觉得2005~2006年白光LED可望开始采纳上述对策。

开拓经纬

增添电力反而会造成封装的热阻抗匆忙降至10K/W以下,是以国外业者曾经开拓耐高温白光LED试图借此改良上述问题,然而实际上大年夜功率LED的发烧量却比小功率LED高数十倍以上,而且温升还会使发光效率大年夜幅下跌,纵然封装技巧容许高热量不过LED芯片的接合温度却有可能跨越允许值,着末业者终于融会到办理封装的散热问题才是根本措施。

有关LED的应用寿命,例如改用硅质密封材料与陶瓷封装材料,能使LED的应用寿命前进10%,尤其是白光LED的发光频谱含有波长低于450nm短波长毫光,传统环氧树脂密封材料极易被短波长毫光破坏,高功率白光LED的大年夜光量加倍速密封材料的劣化,根据业者测试结果显示继续点灯不到一万小时,高功率白光LED的亮度已经低落一半以上,根本无法满意照明光源长命命的基础要求。

有关LED的发光效率,改良芯片布局与封装布局,都可以达到与低功率白光LED相同水准,主要缘故原由是电流密度前进2倍以上时,不只不轻易从大年夜型芯片掏出毫光,结果反而会造成发光效率不如低功率白光LED的困境,假如改良芯片的电极构造,理论上就可以办理上述取光问题。

有关发光特点平均性,一样平常觉得只要改良白光LED的荧光体材料浓度平均性,与荧光体的制作技巧应该可以降服上述困扰。

如上所述前进施加电力的同时,必需设法削减热阻抗、改良散热问题,详细内容分手是:

①低落芯片到封装的热阻抗

②抑制封装至印刷电路基板的热阻抗

③前进芯片的散热顺畅性

为了要低落热阻抗,许多国外LED厂商将LED芯片设在铜与陶瓷材料制成的散热鳍片(heat sink)外面,接着再用焊接要领将印刷电路板上散热用导线,连接到使用冷却风扇强制空冷的散热鳍片上,根据德国OSRAM Opto Semiconductors Gmb实验结果证明,上述布局的LED芯片到焊接点的热阻抗可以低落9K/W,大年夜约是传统LED的1/6阁下,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,纵然印刷电路板温度上升到500C,接合温度顶多只有700C阁下;相较之下以往热阻抗一旦低落的话,LED芯片的接合温度就会受到印刷电路板温度的影响,如斯一来必需设法低落LED芯片的温度,换句话说低落LED芯片到焊接点的热阻抗,可以有效减轻LED芯片降温功课的包袱。反过来说纵然白光LED具备抑制热阻抗的布局,假如热量无法从封装传导到印刷电路板的话,LED温度上升的结果发光效率会匆忙下跌,是以松下电工开拓印刷电路板与封装一体化技巧,该公司将1mm正方的蓝光LED以flip chip要领封装在陶瓷基板上,接着再将陶瓷基板粘贴在铜质印刷电路板外面,根据松下表示包孕印刷电路板在内模块整体的热阻抗大年夜约是15K/W阁下。

因为散热鳍片与印刷电路板之间的密着性直接阁下热传导效果,是以印刷电路板的设计变得异常繁杂,有鉴于此美国Lumileds与日本CITIZEN等照明设备、LED封装厂商,接踵开拓高功率LED用简略单纯散热技巧,CITIZEN公司2004年开始样品出货的白光LED封装,不必要特殊接合技巧也能够将厚约2~3mm散热鳍片的热量直接排放到外部,根据该公司表示虽然LED芯片的接合点到散热鳍片的30K/W热阻抗比OSRAM的9K/W大年夜,而且在一样平常情况下室温会使热阻抗增添1W阁下,不过纵然是传统印刷电路板无冷却风扇强制空冷状态下,该白光LED模块也可以继续点灯应用。

Lumileds公司2005年开始样品出货的高功率LED芯片,接合允许温度更高达+1850C,比其它公司同级产品高600C,使用传统RF4印刷电路板封装时,周围情况温度400C范围内可以输入相称于1.5W电力的电流(大年夜约是400mA) 。

如以上先容Lumileds与CITIZEN公司采取前进接合点允许温度,德国OSRAM公司则是将LED芯片设在散热鳍片外面,杀青9K/W超低热阻抗记录,该记录比OSRAM以前开拓同级品的热阻抗削减40%,值得一提是该LED模块封装时,采纳与传统措施相同的flip chip要领,不过LED模块与热鳍片策应时,则选择最靠近LED芯片发光层作为接合面,借此使发光层的热量能够以最短间隔传导排放。

2003年东芝LighTIng公司曾经在400mm正方的铝合金外面,铺设发光效率为60lm/W低热阻抗白光LED,无冷却风扇等特殊散热组件条件下,试作光束为300lm的LED模块,因为东芝LighTIng公司拥有富厚的试作履历,是以该公司表示因为仿真阐发技巧的进步,2006年之后跨越60lm/W的白光LED,都可以轻松使用灯具、框体前进热传导性,或是使用冷却风扇强制空冷要领设计照明设备的散热,不必要特殊散热技巧的模块布局也能够应用白光LED。

有关LED的长命化,今朝LED厂商采取的对策是变化密封材料,同时将荧光材料分散在密封材料内,尤其是硅质密封材料比传统蓝光、近紫外光LED芯片上方环氧树脂密封材料,可以更有效抑制材质劣化与毫光穿透率低落的速率。

因为环氧树脂接受波长为400~450nm的毫光的百分比高达45%,硅质密封材料则低于1%,辉度减半的光阴环氧树脂不到一万小时,硅质密封材料可以延长到四万小时阁下,险些与照明设备的设计寿命相同,这意味着照明设备应用时代不需替换白光LED。不过硅质树脂属于高弹性柔嫩材料,加工上必需应用不会刮伤硅质树脂外面的制作技巧,此外制程上硅质树脂极易附着粉屑,是以未来必需开拓可以改良外面特点的技巧。

虽然硅质密封材料可以确保LED四万小时的应用寿命,然而照明设备业者却呈现不合的见地,主要争辩是传统白炽灯与荧光灯的应用寿命,被定义成“亮度降至30%以下”,亮度减半光阴为四万小时的LED,若换算成亮度降至30%以下的话,大年夜约只剩二万小时阁下。今朝有两种延长组件应用寿命的对策,分手是:

1、抑制白光LED整体的温升;

2、竣事应用树脂封装要领。

一样平常觉得假如彻底履行以上两项延寿对策,可以杀青亮度30%四万小时的要求。抑制白光LED温升可以采纳冷却LED封装印刷电路板的措施,主要缘故原由是封装树脂高温状态下,加上强光照射会快速劣化,依照阿雷纽斯轨则温度低落100C寿命会延长2倍。

竣事应用树脂封装可以彻底祛除劣化身分,由于LED孕育发生的毫光在封装树脂内反射,假如应用可以改变芯片侧面毫光行进偏向的树脂材质反射板,因为反射板会接受毫光,以是毫光的掏出量会匆忙锐减,这也是LED厂商同等采纳陶瓷系与金属系封装材料主要缘故原由。

芯片大年夜小的争议

有两种措施可以改良白光LED芯片的发光效率,一个是应用面积比小型芯片(1mm2阁下)大年夜10倍的大年夜型LED芯片;别的一种要领是使用多个小型高发光效率LED芯片,组合成一个单体模块。虽然大年夜型LED芯片可以得到大年夜光束,不过加大年夜芯片面积会有弊害,例如芯片内发光层的电界不均等、发光部位受到局限、芯片内部孕育发生的毫光放射到外部历程会严重衰减等等。针对以上问题LED厂商透过电极布局的改善、采纳flip chip封装要领,同时整合芯片外面加工技术,今朝已经杀青50lm/W的发光效率。

有关芯片整体的电界均等性,自从2、3年前呈现梳子状与网格状(mesh)p型电极之后,采纳这种要领的厂商赓续增添,而且电极也朝最佳化偏向成长。

有关flip chip封装要领,因为发光层切近封装端极易排放热量,加上发光层的毫光放射到外部时无电极遮掩的困扰,以是美国Lumileds与日本丰田合成已经正式采纳flip chip封装要领,2005年开始量产大年夜型LED的松下电器/松下电工与东芝也陆续跟进,以往采纳wire bonding封装要领的日亚化学,2004年颁发的50lm/W客户专用品LED,也是采纳flip chip封装要领。

有关芯片外面加工,它可以防止毫光从芯片内部朝芯片外部放射时在界面发生反射,根据日本某LED厂商表示flip chip封装时,若在毫光掏出部位蓝宝石基板上设置凹凸状布局,芯片外部的掏出光束可以前进30%阁下。虽然各LED厂商都不乐意走漏凹凸布局具体应用状况,不过一样平常觉得已经朝正式采纳偏向成长。

此外工程师普遍觉得内建颠末改善的大年夜型LED芯片封装实体,着实它的封装大年夜小某种程度已经被抉择,丰田合成以致表示收容1mm正方的LED芯片,加上封装内部设置可以使芯片侧面出射毫光朝封装上方行进的反射板,高效率掏出芯片内部毫光的封装大年夜小大年夜约是7mm正方阁下。

LED业者对小型LED芯片的发光效率提升,彷佛比应用大年夜型LED芯片模块来得更积极,例如日本CITIZEN公司组合8个小型LED芯片,首度杀青高功率LED 60lm/W业界最高发光效率,CITIZEN觉得大年夜型LED芯片的发光效率成上进度比小型芯片慢1~2年,为了要在高功率LED领域领先偕行,整合多个小型LED芯片得到大年夜光束才是上策。该公司的白光LED应用日亚化学制作的0.3mm正方小型LED芯片,一个封装模块最多应用12个芯片,各LED芯片采纳传统wire bonding封装要领,施加电力大年夜约是2W阁下。

针对多个小型LED芯片与wire bonding封装要领,有业者觉得如斯只会增添封装资源,不过CITIZEN公司认wire bonding的加工资源占白光LED整系统体例作资源不到1%,该公司却强调资源增添的影响异常小,由于wire bonding的加工应用既有的设备,不必要额外的设备投资,此外偕行还觉得wire bonding会遮掩LED芯片孕育发生的毫光,不过应用小型LED芯片的LED模块,它的发光效率与影响彷佛没有预猜中的严重。

均等化削减发光特点不均征象

着末要探究LED厂商最注视的白光LED辉度与色温不均问题。大年夜部分LED厂商都觉得“应用上必需筛选光学特点类似的LED”,事实上削减LED发光特点不均、LED芯片发光特点同等化,以及荧光体材料的浓度散播平均化治理异常紧张。今朝大年夜部分厂商都是从其它公司购买LED芯片,再自行开拓低削发光特点散播不均的技巧,依此组合制作成新型高功率LED。

对芯片外购的厂商而言,本身若拥有低削发光特点散播不均的技巧,纵然从各LED芯片厂商购买LED芯片,理论上仍旧可以保持白光LED的光学特点。

有关LED芯片的发光特点,各厂商都异常积极进行芯片筛选、发光特点的均等化等削减LED发光特点不均的功课,此中松下电器透过芯片的筛选杀青特点同等化的目标,该公司使用flip chip要领,将64个LED芯片封装在一片基板上,着末再个别覆盖荧光体。该公司表示试作阶段曾经直接将LED芯片封装在主基板上,不过未封装至主基板就无法窥测LED芯片终极发光特点,纵然发明发光特点不均等也无法拆卸替换,是以加工时LED芯片先封装在sub基板测试发光特点,接着将发光特点同等的芯片移植封装在主基板上。采纳低功率LED芯片的CITIZEN则表示纵然芯片数量浩繁,该公司拥有可以使发光特点均等化的技术,CITIZEN将8个LED芯片封装在一片基板上,纵然LED芯片的发光特点不均等,8个LED芯片合计的发光特点,在封装之间的不平均会变得异常小。

松下电工简便化荧光体治理措施可以有效减轻发光特点不均等问题。白光LED平日是用内含荧光体材料的密封树脂直接包覆LED芯片,此时密封树脂中荧光体材料的浓度可能呈现误差,着末造成白光LED的色温散播不均等,是以该公司将含荧光体材料的树脂性sheet与LED芯片结合,因为sheet厚度与荧光体材料的浓度颠末严谨的治理,是以LED的色温散播不均比传统要领削减4/5。业界觉得应用荧光体sheet要领,共同LED芯片的发光特点,改变荧光体的浓度与sheet的厚度,就可以使白光LED的色温叛变制在成预期范围内,是以应用上具有异常高的方便性。

结语

以上先容国外各大年夜LED厂商白光LED大年夜功率、低耗电、长命化最新技巧动向,自从日亚化学中村子博士颁发蓝光LED之后,使用蓝光LED制成的白光LED不停被视为次世代主要照明光源,虽然今朝的技巧要周全取代传统灯具还有许多问题有待降服,不过因为国内外各大年夜LED厂商陆续加入开发行列,是以一样平常觉得这对白光LED遍及化有异常正面的助益。

滥觞;国际led网

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