基于提高LED光源耐溫性能的實(shí)驗探討(三)

前言

　　半導體照明是本世紀一場(chǎng)技術(shù)革命，從技術(shù)成熟角度看它還是個(gè)嬰兒，雖然LED大功率白光技術(shù)發(fā)展很快，然而LED光衰、散熱、成本這三個(gè)與生俱來(lái)的痼疾仍然是LED照明普及發(fā)展的攔路虎。LED光衰、散熱貫穿了從芯片制造、封裝制程、材料選擇、燈具開(kāi)發(fā)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，目前業(yè)界對光衰的概念、產(chǎn)生的原因以及如何解決還認識不足，理論尚無(wú)權威解釋?zhuān)瑖蚁嚓P(guān)標準難以出臺，以致出現人云亦云、你抄我搬稀奇古怪的技術(shù)亂象，長(cháng)期以來(lái)人們拼命圍繞用散熱方法來(lái)減少LED光衰，然而見(jiàn)效甚微。解決LED光衰成為業(yè)界共同關(guān)心、翹首以待的技術(shù)難題,人們不禁要問(wèn)：設計師為何不另辟蹊徑從源頭深入尋找LED光衰原因？筆者對提高LED光源的耐溫特性可減少LED光衰從理論和實(shí)踐進(jìn)行了深入探討，將陸續推出相關(guān)文章和實(shí)驗報告。

　　關(guān)鍵詞

　　LED光效、LED熱阻、LED光衰、WFCOB光源、LED模組照明燈

　　目錄

　　第一章

　　一、 LED光效：區分瞬態(tài)光效和穩態(tài)光效的意義

　　二、 LED熱阻：區分光源內部熱阻和光源外部熱阻的意義

　　三、LED光衰：光衰是光源部件超過(guò)耐溫極限不可逆的損傷現象。

　　第二章

　　一、提高LED光源的耐溫特性可減少LED光衰

　　二、為何要提高LED光源的耐溫度特性

　　三、如何讓LED光源耐受高溫

　　第三章

　　一、倒裝芯片無(wú)封裝技術(shù)

　　二、集成COB封裝技術(shù)

　　三、驅動(dòng)電源技術(shù)

　　第四章

　　介紹一種WFCOB光源

　　第五章

　　介紹一種LED模組照明燈

　　第三章

　　一、倒裝芯片無(wú)封裝技術(shù)

　　近來(lái)，倒裝芯片、無(wú)封裝技術(shù)在業(yè)界引起廣泛熱議，因為傳統正裝工藝遇到散熱、光衰等技瓶頸 。 倒裝芯片、無(wú)封裝技術(shù)早在10年前國外各大公司投巨資研究，旨在免用襯底膠、晶粒直焊技術(shù)，不僅可以有效降低封裝熱阻，還徹底免除了正裝芯片在表面打線(xiàn)諸多弊端，讓光源耐受高溫、延長(cháng)LED使用壽命。業(yè)界普遍認為這絕對是封裝領(lǐng)域的前沿技術(shù)。但是人們要問(wèn)：經(jīng)過(guò)這多年研究實(shí)驗，為何倒裝技術(shù)遲遲不能取代正裝芯片技術(shù)而成為主流？其根本原因是：倒裝工藝不僅依賴(lài)陶瓷基板，還要依賴(lài)鋁 (銅)基板，陶瓷基板加工成型和安裝卻都不如金屬基板簡(jiǎn)單方便，由于（兩次）過(guò)錫焊要經(jīng)受280度高溫，難免對材料和部件造成損傷。陶瓷基板和金屬基板相比反光率不高，瞬態(tài)光效難以提高，陶瓷基板的導熱率和芯片接觸面積有限也限制了其穩態(tài)光效難以提高。倒裝工藝兩次過(guò)錫焊和陶瓷基板 +鋁基板雙重熱阻足以將上述優(yōu)勢抵消怠盡。另外，倒裝工藝的熱壓焊、回流焊等設備要求極高，良率不穩。從終端用戶(hù)的角度分析，一款好的LED器應具有更佳照明品質(zhì)，更高照明性能、更低系統成本以及更快的投資回報?？简灥寡b技術(shù)未來(lái)前途還是（LM元）值。品質(zhì)第一，價(jià)格為王，所以造成了用戶(hù)觀(guān)望，產(chǎn)品推廣困難的尷尬局面。

　　二、集成COB封裝技術(shù)

　　從某種意義講，LED封裝核心技術(shù)應該是封裝支架研發(fā)和制造技術(shù)，它決定LED光源的用途、功能及性?xún)r(jià)比。有實(shí)力的公司都在努力尋求利用封裝支架解決LED的散熱、光效、壽命、成本這一課題。

　　COB封裝與單芯片封裝相比在光強、散熱、配光、成本等方面顯露出許多優(yōu)點(diǎn)，被越來(lái)越多的人認為是未來(lái)LED發(fā)展方向。目前傳統的COB光源是支架是用鋁(或銅)基板將FR4纖維板經(jīng)過(guò)壓合工藝成為一體。國產(chǎn) FR-4 半固化片,導熱系數僅為0.3/m-K，進(jìn)口最好的只有2.0 /m-K左右，而純鋁導熱系數為237 /m-K, 兩者相差一百多倍，如此大的熱耗比，必然增大系統熱阻，造成嚴重的LED光衰，降低使用壽命，于是人們絞盡腦汁設法革除鋁基板這層絕緣纖維，然至今尚無(wú)找到有效方法，如一些大公司設計了所謂“LMCOB支架”(在鋁基板挖凹去掉銅皮和絕緣層) ，然而限于設備、凝膠、工藝及成本等原因，尚未推廣普及。還有，目前市場(chǎng)廣為流行所謂“集成光源”支架，采用注塑料工藝將電極板鑲嵌在PPA(或目前正在推崇的EMC)塑料之中，由于PPA在高溫和紫外線(xiàn)照射下會(huì )變黃粉化，造成透氣進(jìn)水，產(chǎn)品失效率很高，這種結構因電極板高于芯片1.5mm，其熒光粉和凝膠用量很大, 不僅會(huì )增加封裝成本，膠體過(guò)厚也會(huì )影響透光，還會(huì )硬化龜裂拉斷金線(xiàn)。目前所有COB支架毫無(wú)例外都要設圍壩結構，以阻擋熒光混合膠不使其外溢, 由于圍壩膠和表層白油吸光，不能實(shí)現光源鏡面光反射，以上多種原因都會(huì )影響出光強度和傳熱受阻，這是造成傳統COB光源的瞬態(tài)光效和穩態(tài)光效難以提高的主要原因。

　　三、驅動(dòng)電源技術(shù)

　　1.集成光源基板和鋁基板完全沒(méi)必要做到3750V耐壓

　　在LED系統設計中，最常見(jiàn)的問(wèn)題是如何選擇驅動(dòng)電源，而實(shí)際上LED失效或損壞，驅動(dòng)電源占據相當高的比例，驅動(dòng)電源的可靠性及壽命成了LED照明技術(shù)短板。

　　LED照明屬通用電子產(chǎn)品必須要通過(guò)國家相應的安全標準，即LED燈具外殼與人體接觸不會(huì )構成觸電危險。一般而言LED驅動(dòng)有非隔離設計和隔離型；非隔離電源使用較少的元器件并擁有較高的效率，但限于外殼絕緣產(chǎn)品中使用，例如LED燈泡，其中LED和驅動(dòng)器都集成并密封在絕緣塑料中，以便讓最終用戶(hù)沒(méi)有觸電的危險。隔離LED驅動(dòng)電源帶有隔離變壓器，意味著(zhù)高電壓與次級的LED相互隔離，可以用手直接接觸而不會(huì )觸電。與非隔離電源相比隔離電源體積較大、效率較低、成本較高。

　　不少人(包括專(zhuān)家教授)認為L(cháng)ED光源(引腳)對地耐壓應大于安規電壓(3750V) 亦即鋁基板和陶瓷基板對散熱器耐壓必須達到安規要求，其實(shí)這是認識誤區, 缺乏電學(xué)識，實(shí)驗測試表明LED芯片襯底通過(guò)銀膠固封后其電極對地(基板)擊穿電壓只有300V左右，LED芯片襯底耐壓遠遠達不到安規要求，這種情況必須使用隔離電源。既然使用隔離電源鋁基板完全沒(méi)必要做到3750V耐壓，更沒(méi)有必要留出所謂 “爬電距離” 。作為最終用戶(hù)無(wú)論采用非隔離電源或隔離電源都完全沒(méi)有必要要求鋁基板達到3750V絕緣耐壓，因為非隔離電源的輸入端與負載是等電位，更沒(méi)必要要求鋁基板通過(guò)安規電壓壓，鋁基板耐壓越高其層間絕緣越厚,成本越高、熱阻越大。實(shí)踐證明，目前COB鋁基板大多采用熱電分離封裝結構，(芯片直接邦定到基板上) 已經(jīng)得到廣泛應用，市場(chǎng)到處都有，足以證明這一理論分析實(shí)用可行。

　　2、LED驅動(dòng)電源可否用液冷技術(shù)解決這塊短板

　　LED壽命可達數萬(wàn)小時(shí)，然而目前與之相配套的驅動(dòng)電源尚不能滿(mǎn)足這個(gè)要求。在LED照明產(chǎn)品中，失效是一個(gè)常見(jiàn)現象，大多數是因為電源的失效，由于許多LED照明應用電源封閉在一個(gè)很小的空間里，通風(fēng)散熱成為主要技術(shù)瓶頸，如果沒(méi)有仔細的熱設計，LED和電源驅動(dòng)電路很容易因為高溫而退化或永久失效。導致LED驅動(dòng)電路壽命達不到要求的關(guān)鍵元件是電解電容器，目前國內大多數電解電容器制造的電解電容器規定壽命一般為105℃/2000小時(shí)，這就是說(shuō)在105℃的溫度條件下的使用壽命只有84天，即使降低到85℃，使用壽命也僅僅為332天，還不到一年！遠不能滿(mǎn)足LED驅動(dòng)要求，為何電解電容器有耐溫局限？其原因是電解電容的電解液需要“水合”工藝制造，鋁電解電容器為了實(shí)現極低的ESR，最簡(jiǎn)單的辦法就是提高電解液的含水率，水的沸點(diǎn)約100度，含水率高導致電解液在高溫下蒸發(fā)"干枯"而失效。電容器制造商絞盡腦汁抑制高含水率電解液的“水合”反應，電源生產(chǎn)商也曾用灌膠密閉工藝來(lái)解決電容器失效，然仍不徹底。

　　筆者將驅動(dòng)電源浸泡在密閉散熱器腔內冷卻液中實(shí)驗, 由于密閉腔內電解電容體內外壓力差很小，不僅減小了電解電容的爆炸，也避免了蒸發(fā)"干枯"。由于免去灌注粘膠，還避免粘膠應力對元器件的拉傷、不易維護等弊端。密閉結構可提高防水等級(最高可達IP68)有效地延長(cháng)了電源使用壽命。

　　結語(yǔ)

　　半導體照明是一場(chǎng)技術(shù)革命，新技術(shù)問(wèn)世它始終需要一個(gè)過(guò)渡，必然經(jīng)歷長(cháng)期改革，從產(chǎn)業(yè)鏈看主要是LED芯片技術(shù)、封裝技術(shù)、電源技術(shù)等都存在諸多技術(shù)難題，有些難題解決尚需時(shí)日，如材料、設備及配套技術(shù)。有些難題簡(jiǎn)單而無(wú)人問(wèn)津，如鋁基板耐壓?jiǎn)?wèn)題還被外行忽悠。僅管如此LED快速發(fā)展取代傳統照明已成必然，人們對LED未來(lái)有更高的期盼：將芯片封裝到如同集成電路、無(wú)打線(xiàn)、無(wú)散熱器、無(wú)驅動(dòng)電源、長(cháng)壽命、低成本目標定會(huì )實(shí)現。