大功率白光LED路燈發(fā)光板設計與驅動(dòng)技術(shù)

安裝管殼：安裝的管殼一般都會(huì )被加工成錐形或拋物線(xiàn)形的反射杯，以增加功率型LED的出光量，屬于二次取光技術(shù)， 增加了單芯片的出光率。

金屬鍵合：利用金絲球焊的方法將焊盤(pán)與外部電極連接鍵合，即芯片電極與外部電極相連接。

配粉及涂粉工藝：配置可在藍光LED發(fā)出的藍光激發(fā)下能發(fā)出相應色譜范圍內黃光的熒光粉，并涂敷在芯片的表面。涂敷熒光配膠工藝目前國內多采用傳統的點(diǎn)膠方式，國外多采用保形涂敷( conformal coating)技術(shù)。二者比較而言，通過(guò)點(diǎn)膠形成的熒光粉層不能保證在芯片周?chē)暮穸纫恢?，這樣就會(huì )造成不同視角發(fā)光器件的顏色不一樣。而采用保形涂粉的方法，由于在芯片周?chē)繉拥暮穸染鶆?，因此所發(fā)出的光的顏色一致性好，保證了所發(fā)出白光的純正。

最后，向反光杯( reffeitor)中填充熱穩定性能好、絕緣以及光學(xué)透明折射率高的柔性硅膠，并在最上面加上一個(gè)光學(xué)透鏡，形成光學(xué)微腔，經(jīng)熱固化后完成整個(gè)器件的封裝。圖6~8為單芯片封裝的功率型的LED器件。在完成大功率白光LED芯片及封裝的出光率與熱管理的技術(shù)優(yōu)化基礎上，可采用COB技術(shù)陣列式組裝大功率白光LED芯片制造路燈發(fā)光板。

圖6 點(diǎn)膠(a)與保形涂粉(b)工藝的對比

圖7 普通架式功率型LED封裝示意圖

圖8　一種大功率LED器件的封裝示意圖

2. 3 以COB技術(shù)陣列式組裝大功率白光LED路燈發(fā)光板的技術(shù)優(yōu)勢

LED產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，經(jīng)過(guò)了支架式LED (Lead LED ) 、普通貼片式LED ( Chip SMDLED) 、功率LED ( Power LED) 、大功率LED (HighPower LED)等發(fā)展歷程。

圖9為L(cháng)ED發(fā)光器件封裝結構的演變，從圖中可以看出，LED器件封裝的熱阻越來(lái)越小。但是在目前的路燈應用上，相對而言大功率LED的光通量( lm)仍然有限，單管亮度還遠遠不夠，必須配置多個(gè)LED器件組成陣列。

圖9 LED封裝結構的演變以及熱阻的變化趨勢。

對于架式功率型LED,因為單管光通量不足，只能集合多個(gè)LED元件組成LED陣列，分布焊接在PCB板上形成路燈用的發(fā)光板，以達到較高的光通量才能符合照明市場(chǎng)的需求。但是這種LED器件整個(gè)發(fā)光芯片是被聚脂塑料包裹，而聚脂塑料是一種熱的不良導體，所以其自身發(fā)出的熱量很難散失，因此也會(huì )很?chē)乐氐刂萍s功率型LED的發(fā)光效率。此外PCB 板也是熱的不良導體，從LED下部也很難散熱。

對于目前比較廣泛使用的普通貼片式LED、功率LED器件雖然單管光通量有所提高，但是單管光通量還是不能符合照明市場(chǎng)的需求，要制成實(shí)用的照明燈具，尤其是路燈照明，采取的技術(shù)方案與支架式LED相同，將發(fā)光器件陣列式焊接在PCB板上形成較大光通量的發(fā)光板。但是每個(gè)功率型的單管LED下部都有高導熱的熱沉層，散熱情況要好于架式的功率型LED.

但是這兩個(gè)方案有一個(gè)共同問(wèn)題，由于器件數量比較多，使電路的設計比較復雜，而電路板自身的基板由熱的不良導體制成，燈具熱流散發(fā)不暢，很難與各種外部散熱手段(無(wú)論是主動(dòng)散熱，比如加裝風(fēng)扇式散熱器等，還是被動(dòng)散熱，比如加裝散熱片等)兼容，影響了燈具的穩定性和使用壽命，故障率相對較高。

為解決以上問(wèn)題，可以采用COB技術(shù)對LED芯進(jìn)行陣列式封裝，形成大的發(fā)光板。該組裝方式在形成光學(xué)微腔的封裝過(guò)程與單管大功率LED封裝方式完全相同，只是以陣列的方式將LED芯片固晶在一塊較大面積的敷有氧化膜絕緣層和電路層的高導熱復合材料基板上。如圖10和圖11所示，典型的高導熱復合材料襯底有美國B(niǎo)ergquist公司的T2Clad產(chǎn)品，德國Curamik覆銅陶瓷板DBC(Direct Bonded Copper)。使用成本更低廉的覆銅鋁基板也可以達到同樣的熱沉效果(鋁基板的氧化膜可承受1 000 V的靜電擊穿電壓)。

圖10 金屬覆銅板的結構圖

圖11 DBC陶瓷基板示意圖

相對于前兩種技術(shù)方案來(lái)講，采用COB技術(shù)將大功率LED芯片陣列式封裝在復合材料線(xiàn)路板上有以下幾點(diǎn)好處：

從散熱管理的角度來(lái)講，雖然貼片式LED(Chip SMD LED) 、功率LED (Power LED)器件在芯片下裝有高導熱材料的熱沉層，但是從LED芯片依次向下有反射層、電路層、絕緣層、導熱材料組成的熱沉層，而各層之間粘合或多或少要使用一些不良的散熱材料，此外，目前常規方案中使用的電路板的基板也是熱的不良導體，因此對散熱也很不利。而高導熱復合材料是用共晶沖壓的方式制造的，電路層、絕緣層、導熱層之間結合緊密屬于原子級結合方式，因此其散熱率更是高于單管熱沉層的散熱率。

另外根據有限元分析軟件對功率型LED組件熱阻模型分析結果表明：對于采用高導熱熱沉的單管大功率LED的封裝方案，外加散熱基板面積的尺寸很大程度影響芯片的結溫，在空氣自然對流下，其直徑要大于20 mm才能使得LED芯片在120 ℃以下工作。而采用的COB 技術(shù)封裝的LED模塊，很容易實(shí)現將LED 芯片工作結溫控制在120 ℃以下。

實(shí)際上， COB封裝技術(shù)和高熱導率復合材料的結合，其優(yōu)勢更加體現在多芯片封裝上，如圖12所示，形成多芯片模塊組件，有利于提高LED單位封裝組件的散熱性能，同時(shí)增加單位組件的發(fā)光亮度。而且高導熱復合材料是電路與熱沉的合成體，結構緊湊，在散熱的同時(shí)也解決了電氣連接的電路問(wèn)題，并且由于電路層單面分布，可實(shí)現電熱性能分開(kāi)，與外部制冷器能很好的兼容，外部制冷組件可以直接貼在板后，進(jìn)一步降低工作溫度保證LED光源的可靠性和穩定性。另外，采用COB封裝的制作工藝兼容于目前電路板制作流程，技術(shù)成熟可靠，可實(shí)現大規模量產(chǎn)。