多芯片封裝大功率LED照明應用技術(shù)

由于LED光源具有發(fā)光效率高、耗電量少、使用壽命長(cháng)、安全可靠性強，有利于環(huán)保等特性，近幾年來(lái)在城市燈光環(huán)境中得到了應用。特別是在全球能源短缺的憂(yōu)慮再度升高的背景下，LED在照明市場(chǎng)的前景更備受全球矚目。自04年起光宇公司投入大量技術(shù)力量參與LED技術(shù)研究，多年來(lái)形成一套具有獨立知識產(chǎn)權的大功率LED照明技術(shù)---多芯片封裝大功率LED照明技術(shù)。本文針對這一技術(shù)的特點(diǎn)，及采用這一技術(shù)獲得一些成果進(jìn)行描述。

一、技術(shù)背景

就目前情況來(lái)看，市場(chǎng)上LED單管功率通常在1-5W左右，光輸出僅幾百流明。要使LED真正大規模應用于道路照明等公眾場(chǎng)所，LED光源的光通量必須達到幾千甚至上萬(wàn)流明，如此高的光輸出量是無(wú)法通過(guò)單顆芯片來(lái)實(shí)現的。為滿(mǎn)足如此高的光輸出要求，目前國內外大多采用多顆LED（通常為1W）的光源組合在一個(gè)燈具中來(lái)滿(mǎn)足高亮度照明的要求，這種方式在一定程度上解決了單顆光源亮度不足的問(wèn)題。但是，這種工藝存在以下問(wèn)題：

1、燈具制作過(guò)程繁瑣，生產(chǎn)效率低、可靠性不高；

2、燈具的設計受單管LED排列數量和排布方式的限制，生產(chǎn)的燈具在外形美觀(guān)和保證性能方面難以兼顧

3、燈具的二次配光設計復雜，難以滿(mǎn)足各類(lèi)不同照明設計的要求，而且會(huì )造成燈具光效降低；

4、數百顆單管LED的連接同一燈具中，必須要求各單管的光電性能參數一致，否則會(huì )大大降低的燈具的光電性能和使用性能。

5、在使用過(guò)程中容易出現因局部故障導致的盲點(diǎn)，產(chǎn)生暗斑，增加維護成本。

為解決上述技術(shù)難題，我公司提出了“多芯片封裝大功率LED照明應用技術(shù)”這一課題。

二、主要開(kāi)展的研究試驗及成果

整個(gè)項目實(shí)施過(guò)程中，主要從熱學(xué)、光學(xué)、結構、材料及工藝等幾個(gè)方面展開(kāi)研究和試驗工作，項目共設計開(kāi)發(fā)出1-100W大功率LED光源及LED路燈、隧道燈、巷道燈、泛光燈、工礦燈、室內照明燈六個(gè)系列的應用產(chǎn)品，申報了12項國家專(zhuān)利其中發(fā)明專(zhuān)利3項。

1、散熱問(wèn)題的解決是該項研究課題解決的最為核心、最為關(guān)鍵和最基礎的工作。半導體器件PN結在常溫狀態(tài)工作時(shí)，理論壽命可以達到100，000小時(shí)以上。但是，由于目前LED芯片發(fā)展所處的技術(shù)階段，只能使輸入的30%左右的電能轉化光能，70%的電能仍然是以熱的方式存在于芯片上。而熱對半導體器件的損害是非常嚴重的，PN結結溫每升高10度，半導體器件的壽命就減少1倍。因此，如何將PN結產(chǎn)生的熱量及時(shí)傳導出去，使得PN結結溫保持在一個(gè)較低的水平是保證光源穩定可靠工作的前提。

在解決散熱問(wèn)題過(guò)程中，我們采用的指導思想是整體式的、系統性的散熱解決方法：首先建立從芯片到外界環(huán)境的散熱模型；分析模型中影響傳熱的薄弱環(huán)節，針對這些環(huán)節提出需要達到的技術(shù)指標和解決方案，優(yōu)化模型，完成整個(gè)方案設計。模型設計完成后，通過(guò)試驗驗證模型的正確性，之后針對已發(fā)現的薄弱環(huán)節進(jìn)行針對性的技術(shù)攻關(guān)。具體的攻關(guān)項目包括：高性能導熱材料的研制、光源支架的設計、新工藝的探索和完善。經(jīng)過(guò)大量的試驗和探索，成功地解決了制約大功率半導體照明發(fā)展的散熱問(wèn)題，取得以下成果：

（1）設計開(kāi)發(fā)了多款光源支架，有兩款光源支架申報了國家專(zhuān)利，并獲授權，授權專(zhuān)利號為ZL200630125051。3，ZL200630125053。2。成功封裝出LED光源功率可達100W，50WLED光源的光效可達100lm/W。

（2）上述光源導熱出光性能完善的基礎上，采用整體式的、系統性的散熱設計理念，進(jìn)行燈具散熱結構設計。研究出了導熱絕緣的界面填充材料，減小LED支架與燈具散熱體之間的熱阻；很好的解決了燈具的散熱問(wèn)題，并建立LED和燈具老化測試系統，考慮可能影響燈具可靠性的相關(guān)因素進(jìn)行研究和試驗，尋找出了影響燈具可靠性和壽命的機理。經(jīng)過(guò)22，633hrs壽命測試顯示，50W大功率LED路燈光衰4。53%圖1為50WLED路燈光衰曲線(xiàn)圖。

圖150WLED路燈光衰曲線(xiàn)圖

（3）完成光源設計、燈具散熱設計后，根據光源的特點(diǎn)及所需場(chǎng)所對燈具配光的要求，采用目前世界流行的配光設計思路，利用先進(jìn)光學(xué)設計模擬軟件，設計出所需配光器的結構，同時(shí)模擬出光狀況，進(jìn)而反復修正配光結構，獲得所需的光學(xué)結構。開(kāi)發(fā)出適合該封裝方式光源的配光器，在完全滿(mǎn)足道路、隧道、遠距離等復雜照明場(chǎng)所對光源配光曲線(xiàn)的要求的基礎上，更加合理、充分的利用了光源發(fā)出的光線(xiàn)，使得燈具的整燈出光效率大大提升。整體燈具的出光效率可達71。96lm/W，圖2為大功率LED路燈配光曲線(xiàn)。

圖2大功率LED路燈配光曲線(xiàn)

（4）完全掌握了LED應用產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)和工藝，形成了系列化、多樣化的半導體照明應用產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)出滿(mǎn)足各種室內照明、道路照明、隧道照明、泛光照明、高桿照明、廠(chǎng)礦照明等場(chǎng)所的半導體照明燈具，已應用于多個(gè)照明領(lǐng)域，表1為臨汾市鑄鋼路現場(chǎng)照度測試報告。

從表中可以看到：主桿道的平均照度達29。01lx，均勻度0。58，人行道平均照度15。4lx，均勻度0。82，遠遠高于CJJ45-2006《城市道路照明設計標準》的要求。

三、結語(yǔ)

多芯片封裝大功率LED照明應用技術(shù)，成功開(kāi)發(fā)出功率為1W~100W的光源，單顆光源光輸出量超過(guò)8000lm，光效大于100lm/W經(jīng)22，633小時(shí)實(shí)際測試，光源光通維持率仍然保持在95%以上，光源穩定性高；的光源；并開(kāi)發(fā)出了適合于面光源，且滿(mǎn)足道路照明的配光器并成功實(shí)現成果轉化，目前LED路燈、投光燈、隧道燈、工業(yè)企業(yè)照明燈、室內照明燈已批量生產(chǎn)，產(chǎn)品性能行業(yè)領(lǐng)先，這對LED應用于普通照明領(lǐng)域起到了至關(guān)重要的作用。