基于提高LED光源耐温性能的实验探讨(一)

 

　　 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：光衰是光源部件超过耐温极限不可逆的损伤现象。

 

　　 第二章

 

　　 一、提高LED光源的耐温特性可减少LED光衰

 

　　 二、为何要提高LED光源的耐温度特性

 

　　 三、如何让LED光源耐受高温

 

　　 第三章

 

　　 一、集成光源墓基板和铝基板完全没必要做到3750V耐压

 

　　 二、LED驱动电源可否用液冷技术解决这块短板

 

　　 第四章

 

　　 介绍一种WFCOB光源

 

　　 第五章

 

　　 介绍一种LED模组照明灯

 

　　  

 

　　 第一章

 

　　 一、 LED光效

 

　　 LED光源发出的光通量(lm)除以光源所消耗的功率(W)称为LED光效，单位lm/W。

 

　　 区分瞬态光效和稳态光效的意义

 

　　 LED瞬态光效是指LED光源开始工作时的发光效率，也称初始冷态光效，它是被测光源施加一定短脉冲电流所测得的瞬间光通量，测量时通常给出大于芯片而小于基板的发热时间常数，所加热脉冲宽度通常在1-几十ms。

 

　　 瞬态光效是LED光源短时间的光_电转换特性，它与芯片和荧光粉量子激发能力、胶体折射率、透光率、支架结构(反光杯)反光率等条件有关，与芯片结温基本无关。它只有测量对比意义，瞬态光效不能代表实际工作状态。

 

　　 稳态光效是指LED光源工作一段时间进入热稳定后，芯片结温不再上升、光强不再变化时所测出的光通量与电功率之比。稳态光效是指LED整体灯具除了驱动电源以外的系统光效，它反映LED实际工作的光、电、热综合特性。稳态光效包括除LED瞬态光、电特性外，还包括系统传热、散热的温度变化状态，也称系统光,是整体灯具真实工作效率。

 

　　 二、 LED热阻

 

　　 1. LED热阻

 

　　 热阻通常是指热流通过物体时的阻力。是由物质材料的本质所决定的。热阻的大小和热流通过的路径长度成正比，和路径的截面积成反比，和材料的导热系数成反比。即：

 

　　 Rth=L/Sλ

 

　　 2. 区分光源內部热阻和光源外部热阻的意义

 

　　 对系统而言， LED热阻包括：光源內部热阻和光源外部热阻见图1。

 

基于提高LED光源耐温性能的实验探讨

 

　　 光源內部热阻

 

　　 光源內部热阻也称封装热阻，包括：

 

　　 （1）LED芯片材料自身的热阻，RL1。

 

　　 （2）芯片和基板(热沉)粘接热阻，RL2。

 

　　 （3）基板传导热阻RL3 ，

 

　　 （4）灌封胶体热阻，RL4。

 

　　 （5）透镜热阻，RL5。

 

　　 光源外部热阻包括：

 

　　 （1）热沉下层的导热硅胶热阻，RO1。

 

　　 （2）覆铜板热阻，RO2。

 

　　 （3）覆铜板与铝基板之间的绝缘薄膜热阻，RO3。

 

　　 （4）铝基板热阻，RO4。

 

　　 （5）铝基板与散热器之间的导热硅胶产生热阻，RO5。

 

　　 （6）散热器热阻，RO6。

 

　　 应用中光源内部热阻即封装热阻，它关系到光衰和寿命是衡量光源品质的重要指标，对灯具用户来说是无法改变的，亦即系统设计无计可施。系统光效与系统热阻成反比，热阻越低，光效越高。

 

　　 3, 用稳态光效和瞬态光效之比来衡量系统的光热特性

 

　　 目前LED光源热阻测量国家尚未出台标准，通常依照普通半导体器件的热阻测量方法采用电压测量法，先测出K值，再计算岀某位置到PN结的热阻。还有光谱法、光热阻扫描法及光功率法。由于测量程序复杂，难以规范，因此仍然应用不广。人们从传热学引入LED“热阻”一词无非是希望能通过测量找出光源和灯具每个节点温升状况，以便将光源温度工作设计在安全范围内,减少LED光衰。其实，测试结温及计算热阻目的意义仅在于对比系统传热性能，以便优化散热/成本比，这无需拐弯抹角去反复测量和计算，操作复杂还不够准确。本人建议只要在LED灯具系统中测量各级传热通路的温度差即可表现出来的它们之间热阻大小，亦即用“节点温差”去理解“热阻”。笔者建议用稳态光效和瞬态光效之比来衡量系统的光热特性。测量方法：首先测量岀瞬态光效。当系统工作进入热稳定之后，