基于提高LED光源耐溫性能的實(shí)驗探討(一)

　作者：汪峰

　　編者按

　　LED光衰是業(yè)界共同關(guān)心急待解決的技術(shù)難題，本文作者從理論和實(shí)踐作了深入分析研究。對LED常用技術(shù)術(shù)語(yǔ)作了精細而獨到的闡述，無(wú)論正確與否，討論這些技術(shù)術(shù)語(yǔ)無(wú)疑這對規范LED技術(shù)用語(yǔ)定義和相關(guān)標準建立大有裨益。作者提出了提高LED光源耐溫特性可降低LED光衰并運用系統設計綜合技術(shù)治理LED光衰的設計思路，具有前瞻性和創(chuàng )新性，希望引起業(yè)界關(guān)注和討論。我們也期待作者的新技術(shù)產(chǎn)品盡早上市。

　　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、集成光源墓基板和鋁基板完全沒(méi)必要做到3750V耐壓

　　二、LED驅動(dòng)電源可否用液冷技術(shù)解決這塊短板

　　第四章

　　介紹一種WFCOB光源

　　第五章

　　介紹一種LED模組照明燈

　　第一章

　　一、LED光效

　　LED光源發(fā)出的光通量(lm)除以光源所消耗的功率(W)稱(chēng)為L(cháng)ED光效，單位lm/W。

　　區分瞬態(tài)光效和穩態(tài)光效的意義

　　LED瞬態(tài)光效是指LED光源開(kāi)始工作時(shí)的發(fā)光效率，也稱(chēng)初始冷態(tài)光效，它是被測光源施加一定短脈沖電流所測得的瞬間光通量，測量時(shí)通常給出大于芯片而小于基板的發(fā)熱時(shí)間常數，所加熱脈沖寬度通常在1-幾十ms。

　　瞬態(tài)光效是LED光源短時(shí)間的光_電轉換特性，它與芯片和熒光粉量子激發(fā)能力、膠體折射率、透光率、支架結構(反光杯)反光率等條件有關(guān)，與芯片結溫基本無(wú)關(guān)。它只有測量對比意義，瞬態(tài)光效不能代表實(shí)際工作狀態(tài)。

　　穩態(tài)光效是指LED光源工作一段時(shí)間進(jìn)入熱穩定后，芯片結溫不再上升、光強不再變化時(shí)所測出的光通量與電功率之比。穩態(tài)光效是指LED整體燈具除了驅動(dòng)電源以外的系統光效，它反映LED實(shí)際工作的光、電、熱綜合特性。穩態(tài)光效包括除LED瞬態(tài)光、電特性外，還包括系統傳熱、散熱的溫度變化狀態(tài)，也稱(chēng)系統光,是整體燈具真實(shí)工作效率。

　　二、LED熱阻

　　1. LED熱阻

　　熱阻通常是指熱流通過(guò)物體時(shí)的阻力。是由物質(zhì)材料的本質(zhì)所決定的。熱阻的大小和熱流通過(guò)的路徑長(cháng)度成正比，和路徑的截面積成反比，和材料的導熱系數成反比。即：

　　Rth=L/Sλ

　　2. 區分光源內部熱阻和光源外部熱阻的意義

　　對系統而言， LED熱阻包括：光源內部熱阻和光源外部熱阻見(jiàn)圖1。

　　光源內部熱阻

　　光源內部熱阻也稱(chēng)封裝熱阻，包括：

　?。?）LED芯片材料自身的熱阻，RL1。

　?。?）芯片和基板(熱沉)粘接熱阻，RL2。

　?。?）基板傳導熱阻RL3 ，

　?。?）灌封膠體熱阻，RL4。

　?。?）透鏡熱阻，RL5。

　　光源外部熱阻包括：

　?。?）熱沉下層的導熱硅膠熱阻，RO1。

　?。?）覆銅板熱阻，RO2。

　?。?）覆銅板與鋁基板之間的絕緣薄膜熱阻，RO3。

　?。?）鋁基板熱阻，RO4。

　?。?）鋁基板與散熱器之間的導熱硅膠產(chǎn)生熱阻，RO5。

　?。?）散熱器熱阻，RO6。

　　應用中光源內部熱阻即封裝熱阻，它關(guān)系到光衰和壽命是衡量光源品質(zhì)的重要指標，對燈具用戶(hù)來(lái)說(shuō)是無(wú)法改變的，亦即系統設計無(wú)計可施。系統光效與系統熱阻成反比，熱阻越低，光效越高。

　　3, 用穩態(tài)光效和瞬態(tài)光效之比來(lái)衡量系統的光熱特性

　　目前LED光源熱阻測量國家尚未出臺標準，通常依照普通半導體器件的熱阻測量方法采用電壓測量法，先測出K值，再計算岀某位置到PN結的熱阻。還有光譜法、光熱阻掃描法及光功率法。由于測量程序復雜，難以規范，因此仍然應用不廣。人們從傳熱學(xué)引入LED“熱阻”一詞無(wú)非是希望能通過(guò)測量找出光源和燈具每個(gè)節點(diǎn)溫升狀況，以便將光源溫度工作設計在安全范圍內,減少LED光衰。其實(shí)，測試結溫及計算熱阻目的意義僅在于對比系統傳熱性能，以便優(yōu)化散熱/成本比，這無(wú)需拐彎抹角去反復測量和計算，操作復雜還不夠準確。本人建議只要在LED燈具系統中測量各級傳熱通路的溫度差即可表現出來(lái)的它們之間熱阻大小，亦即用“節點(diǎn)溫差”去理解“熱阻”。筆者建議用穩態(tài)光效和瞬態(tài)光效之比來(lái)衡量系統的光熱特性。測量方法：首先測量岀瞬態(tài)光效。當系統工作進(jìn)入熱穩定之后，光源溫度不再上升、光強不再下降而相對穩定之后測出穩態(tài)光效，用穩態(tài)光效除以瞬態(tài)光效即是穩態(tài)光效和瞬態(tài)光效之比，根據熱阻與光效成反比的關(guān)系，其比值大小即可看出不同燈具的系統光效或熱阻的高低好壞，注意通常測量要排除電源影響。比如：兩個(gè)不同的路燈A和B，分別測出它們瞬態(tài)光效和穩態(tài)光效之比，A=95%，B=90% ,即可認定A好于B 這種測試方法簡(jiǎn)單易操作，筆者建議經(jīng)過(guò)大家討論和完善將該測量方法推薦行業(yè)測量規范和技術(shù)標準中。

　　三、LED光衰

　　1, LED光衰：LED光衰是指LED經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的點(diǎn)亮之后，其光強比初始光強會(huì )降低，且不能恢復，即降低的部分稱(chēng)為L(cháng)ED的光衰。目前我國尚未制定LED光衰的定義及通用標準。 GB/T 24823-2009要求LED模塊性能要求規定的光通維持率是在燃點(diǎn)3000h時(shí)，其光通維持率應不低于92%僅試用室內燈具的某個(gè)產(chǎn)品，業(yè)界普遍呼吁國家盡快制定LED光衰標準。

　　2, LED光衰是光源部件超過(guò)耐溫極限不可逆的損傷現象

　　眾所周知，LED工作之后其光強會(huì )著(zhù)芯片結溫升高而下降，光效隨之降低，這是半導體隨溫度變化的固有的物理特性，只要光源某個(gè)部件不超過(guò)溫度極限而損傷， LED停止之后溫度降到原始値,其光強還會(huì )恢復如初，也就是說(shuō)LED不管工作多久、反復多次只要初始光強不變就不能認為光衰，光衰是指光源因長(cháng)時(shí)間工作溫度超過(guò)極限値而光強恢復不到初始値稱(chēng)為光衰，亦即光通量下降不可逆轉才是真正意義的光衰。LED光衰是光源部件超過(guò)耐溫極限不可逆的損傷現象。

　　3,目前所有芯片廠(chǎng)和封裝廠(chǎng)所標稱(chēng)的光效都是瞬態(tài)光效

　　有人認為美國CREE公司公布的LED芯片結溫和之間的關(guān)系曲線(xiàn)是LEF光衰曲線(xiàn),不少人將它視為L(cháng)ED芯片光衰曲線(xiàn)，以至封裝廠(chǎng)也將它搜搬抄到出廠(chǎng)規格書(shū)中，這是錯誤的。

　　上圖CREE所公示溫度與光通量/光功率關(guān)系曲線(xiàn)是基于向用戶(hù)表達在設計使用中不要讓芯片超過(guò)一定結溫范圍，以保障在額定光功率下導致光通量下降或產(chǎn)生光衰。筆者認為這組曲線(xiàn)不是LED芯片光衰的因果關(guān)系，它應該是LED光源的光通量和溫度有關(guān)的多種元件綜合曲線(xiàn)。很多人認為這組曲線(xiàn)是單純芯片光衰原因，并不包括熒光粉、粘膠、支架以及與溫度有關(guān)的系統部件影響，這是認識誤區。LED光源無(wú)論是Ta=25度還是在Ta=85℃溫度下測試，都是光源系統在某個(gè)特定溫度下的穩態(tài)測量值 ,由于穩態(tài)光效受溫度諸多變量關(guān)系影響，測試復雜不夠準確，而且時(shí)間較長(cháng)，所以目前所有芯片廠(chǎng)和封裝廠(chǎng)對外標稱(chēng)的光效都是瞬態(tài)光效,下游用戶(hù)驗收也是如此。世界上無(wú)論哪個(gè)公司對外公布產(chǎn)品性能指標必須有可操作性和可重復性，也就是說(shuō)客戶(hù)購買(mǎi)你的產(chǎn)品對其規格無(wú)法或難以檢驗，則無(wú)法通行。一些國外廠(chǎng)商有意夸大光效超過(guò)傳統值數倍是沒(méi)有任何實(shí)用意義的，因為L(cháng)ED光效與光衰不是由LED芯片單一因素造成，它與系統熱阻諸多條件有關(guān)，拿試驗室光效說(shuō)事只有宣傳意義沒(méi)有任何實(shí)用意義，某公司如推出303LM/W產(chǎn)品而閉門(mén)不推向市場(chǎng)，業(yè)界無(wú)法理解和認同。再說(shuō)決定LED光效芯片不是唯一原因，也不是主要原因，用戶(hù)一味追求某品牌而不重視系統設計是認識誤區，會(huì )勞而無(wú)功、事倍功半。

　　結語(yǔ)

　　討論LED光效、LED熱阻、LED光衰這幾個(gè)廣為流行的專(zhuān)業(yè)詞語(yǔ)，區分瞬態(tài)光效和穩態(tài)光效的意義，是為了進(jìn)一步揭示LED光衰原因，找出解決對策。同時(shí)對規范LED技術(shù)用語(yǔ)定義和建立相關(guān)技術(shù)標準無(wú)疑也大有裨益。