大功率LED照明技術(shù)探討

高亮度發(fā)光二極管(LED)以其耗電量小、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快、無頻閃、體積小、無污染、易集成化等特點(diǎn)，正在成為傳統(tǒng)照明產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代的新一代光源。在節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境日益受到關(guān)注的今天，半導(dǎo)體照明更是成為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，因而受到世界各國(guó)政府、科技界與產(chǎn)業(yè)界的高度重視。迄今，美、日、歐、中國(guó)大陸及中國(guó)臺(tái)灣等均已推出各自的半導(dǎo)體照明計(jì)劃，大功率LED照明產(chǎn)業(yè)已成為最受矚目的產(chǎn)業(yè)之一。

值得注意的是，迄今上游外延芯片技術(shù)已基本成熟和定型，價(jià)廉物美的LED芯片已能夠滿足照明的需求，現(xiàn)在定價(jià)權(quán)正向中游封裝和下游應(yīng)用終端市場(chǎng)轉(zhuǎn)移和發(fā)展。這意味著誰能將芯片應(yīng)用好、制造出長(zhǎng)壽命、高功效的大功率LED照明產(chǎn)品，誰就有可能成為L(zhǎng)ED產(chǎn)業(yè)的最終贏家。大功率LED照明封裝和應(yīng)用方面的問題隨之凸顯出來，其中最為關(guān)鍵的就是如何解決大功率LED照明的散熱難題，這不僅是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用等方面的技術(shù)問題，而且還涉及熱管理模式和流體力學(xué)等科學(xué)問題。與現(xiàn)有“芯片一鋁基板一散熱三層結(jié)構(gòu)”大功率LED系列照明技術(shù)完全不同，我們研制的“芯片一散熱一體化(二層結(jié)構(gòu))集成式大功率LED照明系列燈具”，在技術(shù)路線方面可能具有革命性和顛覆性的意義，將成為大功率LED照明產(chǎn)業(yè)一個(gè)新的發(fā)展方向。

1 、大功率LED照明產(chǎn)品現(xiàn)狀

目前，LED的發(fā)光效率能使約30％ 的電能轉(zhuǎn)換成光，其余70％ 的電能幾乎都轉(zhuǎn)換成熱能，使LED的溫度升高。小功率LED由于其發(fā)熱量非常小，基本上不用采取散熱措施就能被很好地應(yīng)用，例如儀表燈、信號(hào)燈、小尺寸液晶屏幕背光源等。但對(duì)于大功率LED，當(dāng)應(yīng)用于商業(yè)建筑、道路、隧道、工礦等照明領(lǐng)域時(shí)，其散熱就是個(gè)大問題了。如果LED芯片的熱量不能散出去，會(huì)加速芯片的老化、光衰、色偏移、縮短LED的壽命。因此，大功率LED照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式和熱管理設(shè)計(jì)十分重要。

現(xiàn)在市場(chǎng)上所有大功率LED照明燈具均采用“芯片一鋁基板一散熱器三層結(jié)構(gòu)模式”，即先將芯片封裝在鋁基板上形成LED光源模塊，然后將光源模塊安置在散熱器上制造成大功率LED照明燈具。
應(yīng)該指出的是，目前大功率LED的熱管理系統(tǒng)仍沿用LED早期用于指示燈和顯示燈的方式，屬于小功率LED的熱管理模式。采用“芯片一鋁基板一散熱器三層結(jié)構(gòu)模式”制備大功率LED照明，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面存在明顯不合理的地方，如結(jié)構(gòu)之間接觸熱阻多、結(jié)溫高、散熱效率低，所以芯片釋放出來的熱不能有效地導(dǎo)出和散出，導(dǎo)致LED照明燈具光效低、光衰大、壽命短，不能滿足照明需求。

如何提高封裝散熱能力是現(xiàn)階段大功率LED亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。LED照明產(chǎn)品的發(fā)展方向和重點(diǎn)是：高功率、低熱阻、高出光、低光衰、體積小、重量輕，因而使得對(duì)LED的散熱效率要求越來越高。

但是由于受結(jié)構(gòu)、成本和功耗等諸多因素的限制，大功率LED照明難以采用主動(dòng)散熱機(jī)制，而只能采用被動(dòng)式散熱機(jī)制，但被動(dòng)式散熱具有較大的局限性；而且LED的能量轉(zhuǎn)換效率較低，目前仍然約有70％轉(zhuǎn)換為熱，即使光效再提高1倍也還有40％ 的能量轉(zhuǎn)化為熱。也就是說，很難提高到不用考慮散熱的程度，所以從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，大功率LED照明的散熱問題將是一個(gè)長(zhǎng)期存在的問題。

現(xiàn)在大功率LED應(yīng)用于照明的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟，研制高效的自然散熱的熱管理系統(tǒng)，已成為大功率LED照明實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的先決條件和關(guān)鍵因素。因此，需要新的技術(shù)路線及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來徹底解決大功率LED照明散熱問題。

2 、大功率LED照明產(chǎn)業(yè)新的技術(shù)路線

針對(duì)現(xiàn)有大功率LED照明散熱技術(shù)存在多熱阻、散熱能力低的問題，我們?cè)噲D通過“芯片一散熱一體化(二層結(jié)構(gòu))模式”解決大功率LED照明光效低、光衰嚴(yán)重、成本高等系列問題。

2.1 技術(shù)路線

“芯片一散熱一體化(二層結(jié)構(gòu))模式”，不僅去除了鋁基板結(jié)構(gòu)，而且還將多個(gè)芯片集中直接安置在散熱體上，組成多芯片模組單光源，制備成集成式大功率LED燈具，光源為單顆，呈面光源或集束式光源。

2.2 技術(shù)關(guān)鍵

如何增強(qiáng)對(duì)芯片的導(dǎo)熱能力，減少熱阻界面層，涉及到熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式、流體力學(xué)以及超熱導(dǎo)材料工程應(yīng)用等問題；如何有效控制散熱基體的熱儲(chǔ)量，規(guī)劃對(duì)流散熱路徑，建立高效自然對(duì)流散熱體系，主要從燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)著手。

2.3 技術(shù)方案

通過改變LED光源封裝結(jié)構(gòu)、散熱結(jié)構(gòu)和燈具結(jié)構(gòu)模式，來減少熱阻層；應(yīng)用超熱導(dǎo)材料，增加芯片熱源的導(dǎo)熱性能；基于“芯片一散熱一體化二層結(jié)構(gòu)”優(yōu)化熱管理系統(tǒng)，增加空氣的流動(dòng)，形成自然對(duì)流散熱。

2.4 設(shè)計(jì)思路

采取模組化方式制備高功率LED燈具。將光源、散熱、外形結(jié)構(gòu)等封裝成一個(gè)整體模組，而模組之間又相互獨(dú)立，任何一個(gè)模組都能被單獨(dú)更換，當(dāng)一個(gè)部分發(fā)生故障時(shí)，只需更換故障模組，而無須更換其他模組或整體更換就能繼續(xù)正常工作。燈具的所有模組部分都能徒手拆裝，實(shí)現(xiàn)方便、快捷、低成本的維護(hù)。

2.5 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

對(duì)系統(tǒng)模組化，除了滿足燈具的散熱、更換要求外，還必須滿足LED照明燈具的光學(xué)(光學(xué)效率)需求、造型(市場(chǎng))需求。

3 、芯片一散熱一體化結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

“芯片一散熱一體化(二層結(jié)構(gòu))模式”是一種新型的LED光源封裝模式、結(jié)構(gòu)模式和熱管理系統(tǒng)模式。利用該技術(shù)模式制備出的大功率LED照明燈具，不僅徹底解決了散熱問題，而且還有效地解決了諸如在配光、光效、壽命和維護(hù)等方面的問題，已經(jīng)開發(fā)出長(zhǎng)壽命、高光效的大功率LED系列產(chǎn)品，如路燈、筒燈、隧道燈、工礦燈、汽車前大燈、景觀燈等照明設(shè)備。

3.1 技術(shù)特點(diǎn)

3.1.1 將芯片和鋁合金+超熱導(dǎo)材料復(fù)合基體(散熱器)連接為一體，應(yīng)用獨(dú)特的大功率LED封裝技術(shù)，將多個(gè)芯片集中直接封裝在散熱基體上，使芯片與散熱基體之間的熱阻更小，整個(gè)散熱基體就是一個(gè)完整的燈具，形成集成式大功率LED照明部件。

3.1.2 基于仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)熱管理系統(tǒng)，建立了芯片一散熱一體化二層結(jié)構(gòu)熱阻模型，對(duì)其進(jìn)行了結(jié)溫計(jì)算和壽命預(yù)測(cè)。

芯片一散熱一體化二層結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是熱源芯片直接封裝在散熱器上，隨著發(fā)熱源的溫度升高，空氣在多孔狀散熱器中發(fā)生流動(dòng)，多孔為空氣對(duì)流提供了流動(dòng)通道，熱被自動(dòng)散發(fā)出來，確保芯片在安全使用溫度范圍內(nèi)正常工作。先進(jìn)的導(dǎo)熱和熱對(duì)流系統(tǒng)確保良好的散熱效果，進(jìn)一步提高了芯片的發(fā)光效率。

3.1.3 將芯片(45mil×45mi1)進(jìn)行集成式封裝(芯片集中在一個(gè)小區(qū)域)，得到光效較高的面光源，具有光通量密度高、總光通量高、低眩光的特點(diǎn)。

目前，運(yùn)用上述技術(shù)已制備出了“芯片一散熱一體化(二層結(jié)構(gòu))模式”大功率LED照明燈具，如路燈、隧道燈、筒燈、射燈等。此外，目前大功率LED汽車前大燈均需要電風(fēng)扇加強(qiáng)散熱，難于滿足市場(chǎng)化應(yīng)用需求，利用二層結(jié)構(gòu)制成的集束式大功率LED汽車前大燈，解決了目前汽車燈行業(yè)采用LED光源制造汽車前大燈的局限性

3.2 產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)及優(yōu)勢(shì)
(1)高效散熱：采用自然散熱方式，徹底解決大功率LED散熱難題(溫差<4℃ ，散熱器溫度<60℃，在環(huán)境溫度>35℃ 的條件下實(shí)測(cè))；
(2)大電流：供給芯片的額定電流每顆為400— 450mA；
(3)高光效：整燈光效達(dá)到了90．9 lm／W；
(4)長(zhǎng)壽命：>50 000h；
(5)光衰?。簢?guó)家燈具質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢測(cè)結(jié)果為：1 000h壽命測(cè)試無光衰；
(6)集成式：該集成式為COR (Chip On　Radiator)，即芯片集成直接粘接在散熱器上，與集成粘接在鋁基板上的COB(Chip On Board)集成式完全不同。集成芯片為單顆，呈面光源、單光源或集束式
光源(安裝玻璃透鏡)射出；
(7)照明效果與傳統(tǒng)的非LED光源一樣，不改變?nèi)祟惖挠霉饬?xí)慣；
(8)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單：便于維護(hù)，無需整體更換。

4 、大功率LED照明產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展方向

目前，對(duì)于大功率LED照明產(chǎn)業(yè)的技術(shù)路線，我們認(rèn)為有兩條路可選擇：一條路是繼續(xù)沿著“芯片一鋁基板一散熱器(三層結(jié)構(gòu))模式”技術(shù)路線發(fā)展；另一條路是開拓“芯片一散熱一體化(二層結(jié)構(gòu))模式”技術(shù)路線。“芯片一散熱一體化結(jié)構(gòu)”是一種新興技術(shù)，在這種結(jié)構(gòu)中，除芯片外，其他均為全新的內(nèi)容，包括芯片一散熱一體化、封裝、電源、成套裝備、檢測(cè)、甚至標(biāo)準(zhǔn)等，它使得大功率LED照明產(chǎn)品在壽命、光效、品質(zhì)、設(shè)計(jì)、可控性、成本等方面相對(duì)&ldquo;芯片一鋁基板一散熱器三層結(jié)構(gòu)模式”有明顯的優(yōu)勢(shì)，是中國(guó)在大功率高效半導(dǎo)體固態(tài)照明研究、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化方面可以大有作為的一個(gè)新領(lǐng)域。