解析溫度對大功率LED照明系統光電參數的影響

近年來(lái)，LED技術(shù)得到迅猛發(fā)展，其在信號指示、照明、背光源、顯示等方面得到廣泛的應用。隨著(zhù)芯片技術(shù)的提高，LED已經(jīng)進(jìn)入大功率的時(shí)代?，F在1W級的大功率LED正被照明行業(yè)使用，并顯示出了光明的前景。LED功率及光效的提高，使得LED燈具代替傳統照明方式成為可能。發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的芯片，在p型半導體和n型半導體之間有一個(gè)過(guò)渡層，稱(chēng)為p-n結。在某些半導體材料的p-n結中，注入的少數載流子與多數載流子復合時(shí)會(huì )把多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，從而把電能直接轉換為光能，LED就是利用注入式電致發(fā)光原理制作的。

　　由于目前LED量子效率低，在工作過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量的熱，大功率LED的熱效應尤為明顯。如果這些熱量不能及時(shí)的散發(fā)出去，就會(huì )使LED中p-n結的溫度(結溫)迅速升高，導致芯片載流子有效復合幾率下降，出射光子的數目減少，取光效率降低，還會(huì )使得LED芯片的發(fā)射光譜發(fā)生紅移，這對利用藍光激發(fā)YAG發(fā)光粉來(lái)取得白光的LED照明系統是非常不利的，因此LED的散熱成為LED照明技術(shù)發(fā)展的重大課題，解決LED照明系統的散熱問(wèn)題迫在眉睫。

　　COB技術(shù)是裸芯片貼裝技術(shù)之一，半導體芯片貼裝在印刷線(xiàn)路板上，芯片與基板的電氣連接用引線(xiàn)縫合方法實(shí)現。在大功率LED燈具制造過(guò)程中，通常的做法是利用COB的方法將LED芯片封裝在鋁質(zhì)或者銅質(zhì)基板上，利用自動(dòng)焊線(xiàn)機將芯片與基板上的電路連接，再將基板與外部電路連接在一起?；骞潭ㄔ阡X質(zhì)散熱器上將熱量散發(fā)出去。因此，散熱器質(zhì)量的好壞直接影響著(zhù)LED燈具的壽命、效率和出光質(zhì)量。

　　對于制造性能可靠，高亮度LED系統，熱管理是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。解決LED照明系統的散熱問(wèn)題，必須預先知道溫度對大功率LED照明系統的光電參數的影響。國內外許多學(xué)者對LED芯片的熱阻方面做了大量的研究，但對于商用照明的白光LED的散熱方面的研究卻很少。本文就照明用大功率白光LED燈具中，光源光通量、電學(xué)參數等光電參數受溫度的影響做出分析?！?strong style="word-break: break-all; ">　測試系統及實(shí)驗

　　1.實(shí)驗選材與儀器

　　本文采用的是1W×3串聯(lián)封裝的白光LED照明模塊，其結構如圖1所示。芯片選用臺灣晶元光電制造的45mil藍寶石襯底InGaN芯片。發(fā)光粉為弘大所生產(chǎn)，與道康寧硅膠以一定比例混合制成發(fā)光粉涂層。導熱膏選用TIG78040型導熱膏，其熱導率為4.0W/mK?；宀馁|(zhì)為鋁質(zhì)。選取4只不同規格的鋁合金(6063)圓柱形鰭片

　　散熱器，編號為1-4號，其中1號散熱器經(jīng)過(guò)氧化處理，2-4號散熱器未經(jīng)過(guò)氧化處理。規格分別為Φ30mm×H47mm，Φ53mm×H30mm，Φ45mm×H54mm，Φ44mm×H64mm。利用杭州遠方光電生產(chǎn)的PMS-50plus紫外-可見(jiàn)-近紅外光譜分析系統記錄光電參數。并用杭州威博科技制造的TC-2008多路溫度測試儀記錄溫度。

圖1通用照明LED模塊結構示意圖

　　2.實(shí)驗過(guò)程與數據采集

　　將LED光源安裝在散熱器上，把TC-2008多路溫度測試儀的熱電偶安裝在散熱器內部以測量散熱器的溫度，測試點(diǎn)為鋁質(zhì)散熱器與基板相接處。將上述裝置安裝好后放入積分球，利用350mA恒流電源驅動(dòng)，以10s為周期記錄溫度與光電參數。測試系統結構如圖2所示。在穩恒電流驅動(dòng)下的LED模塊，熱量由能夠很好的滿(mǎn)足散熱要求的鋁基板傳輸到鰭片散熱器上，再依靠鰭片散熱器散發(fā)出去。LED模塊工作時(shí)散熱器溫度會(huì )迅速升高，連接在一起的TC-2008多路溫度測試儀會(huì )記錄散熱器溫度的瞬時(shí)值，同時(shí)，PMS-50光譜分析系統會(huì )記錄下相應的光電參數。

　圖2LED光電參數測試系統結構示意圖

　　結果與分析

　　1.溫度對光通量的影響

對于正裝大功率LED，芯片側表面和上表面散熱能力差，熱量絕大部分是依靠熱傳導將熱量傳到散熱器，利用散熱器的對流將熱量散掉。因此，LED散熱器質(zhì)量的好壞直接影響著(zhù)LED中p-n結的溫度，LED的衰減主要取決于結溫。

所以，設計和使用合理的散熱器對于降低大功率LED的光衰有著(zhù)重要的意義。如圖3所示，以350mA電流驅動(dòng)LED光源，其溫度會(huì )在一段時(shí)間內迅速上升，并且維持在熱平衡溫度上。其原因主要是由于LED開(kāi)始通電時(shí)會(huì )產(chǎn)生大量的熱量，但芯片和散熱基板間的熱界面材料(TIM)的熱導率很低(4.0W/mK)，這些熱量傳到散熱器上需要一定的時(shí)間，所以會(huì )有一段溫度急劇上升的曲線(xiàn)，當基板和散熱器溫度相同時(shí)，就達到了一種熱平衡狀態(tài)。此時(shí)，基板和散熱器的溫度不再變化，并將維持下去。這一熱平衡溫度取決于散熱器的形狀和大小，如圖所示，四只散熱器樣品達到熱平衡狀態(tài)的時(shí)間和最后的溫度是不同的，其熱平衡溫度分別為59.8，49.0，47.4，44.4℃。