基于不同散熱模式LED的光電熱特性研究

LED固體光源，與傳統(tǒng)光源相比，具有效率高、光色純、能耗低、壽命長，可靠耐用、應(yīng)用靈活、無污染等優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用于道路照明、家用照明、汽車燈照明、景觀照明等領(lǐng)域【1】。然而良好的散熱特性是LED優(yōu)異性能和穩(wěn)定可靠的根本保證。溫度對LED性能產(chǎn)生重要的影響，包括色溫改變、波長紅移、效率下降、正向壓降等等，因此，熱管理對LED的性能、光轉(zhuǎn)換效率以及應(yīng)用產(chǎn)生重要的影響【2】。本文主要研究新型垂直散熱模式LED在光電熱特性方面的潛在優(yōu)點。與傳統(tǒng)水平散熱模式LED相比，垂直散熱結(jié)構(gòu)LED具有亮度高、散熱快、光衰小、成本低、穩(wěn)定可靠的特點，是目前中小功率LED中應(yīng)用照明光源的發(fā)展趨勢。

一、垂直與水平散熱模式結(jié)構(gòu)對比

在本文兩種不同散熱模式LED特性分析中，新型垂直散熱模式LED選用目前市場及應(yīng)用熱門的3014LED為例，傳統(tǒng)水平散熱模式則選用常用的3528LED為例，以做對比分析。

圖1和圖2分別為垂直散熱與水平散熱LED的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3所示為兩種LED的散熱方式示意圖。

從圖1、圖2的結(jié)構(gòu)圖中可以看出，3528LED在結(jié)構(gòu)是通過焊接兩端電極的焊腳進行散熱，散熱方式為水平散熱。3014LED在結(jié)構(gòu)上是通過底板散熱通道進行散熱，散熱方式主要為垂直散熱。圖3更清楚的表達了兩種不同結(jié)構(gòu)LED的散熱模式。

二、LED燈珠的熱學(xué)特性模擬

為了更好的研究對比分析不同散熱結(jié)構(gòu)LED的散熱情況，我們使用了ANASYS有限元分析模擬軟件進行建模及熱學(xué)模擬分析。

為了能更方便的計算LED的熱阻，首先設(shè)置底板溫度參數(shù)為60℃，芯片功率為0.06W，固晶膠KER-3200-TI厚度為0.01mm，驅(qū)動電流為20mA進行熱分析，水平散熱結(jié)構(gòu)LED及垂直散熱結(jié)構(gòu)LED的熱分布分別如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5及表1可以看出，當同時控制基底溫度為60℃和LED工作電流為20mA時，雖然垂直散熱模式LED的芯片溫度要略高，這是因為所選用的3014LED模型的體積及散熱面積均遠小于3528 LED，熱量過于集中所造成。但垂直散熱模式的溫差較小，其熱阻117 mm?℃/W也遠低于傳統(tǒng)水平散熱156 mm?℃/W，均表明垂直散熱模式的散熱效率優(yōu)于水平散熱模式。

為了更接近散熱的客觀事實情況，對LED熱特性進行第二次模擬分析。此次模擬在模型中加入相同尺寸的鋁板，不限定其溫度，只設(shè)定驅(qū)動電流為20mA，與現(xiàn)實使用情況相符。水平散熱LED及垂直散熱LED的熱分布分別如圖6、圖7所示。

圖6.水平散熱結(jié)構(gòu)LED熱模擬溫度分布圖

圖7.垂直散熱結(jié)構(gòu)LED熱模擬溫度分布圖

表2.LED散熱模擬溫度數(shù)據(jù)

由圖6、圖7及表2可看出，垂直散熱模式LED的芯片溫度、負極溫度、溫差、熱阻等各項參數(shù)均遠小于水平散熱燈珠，這表明垂直散熱模式能把積聚在內(nèi)部芯片的熱量及時散去。此模擬結(jié)果表明了在不設(shè)定任何溫度限制即更接近于客觀事實的情況下垂直散熱模式具有更高散熱效率的優(yōu)勢。

因一般3014LED在使用過程中一般多用25mA或者30mA電流驅(qū)動，所以對25mA 驅(qū)動的3014LED進行了熱模擬分析。模擬條件如下：功率設(shè)為0.072W，固晶膠厚度設(shè)為0.01mm，正向電流IF設(shè)為25mA，相同尺寸鋁板，不限定溫度。此種情況的熱分布分別如圖8所示。表3為此次熱模擬分析的結(jié)果。與垂直散熱LED在20mA驅(qū)動時散熱情況相比，其芯片和負極的溫度大幅度降低，表明垂直散熱LED在大電流驅(qū)動時凸顯出更優(yōu)的散熱效果。

圖8.垂直散熱結(jié)構(gòu)LED熱模擬溫度分布圖

表3.垂直散熱結(jié)構(gòu)LED熱模擬結(jié)果(25mA)

對比表2和表3即如表4所示，通過分析，3014LED即使在25mA驅(qū)動下，其芯片、負極溫度、溫差與20mA驅(qū)動的3528LED相當，而其熱阻130 mm?℃/W遠低于20mA驅(qū)動的3528LED。結(jié)果表明即使大電流驅(qū)動垂直模式LED，其散熱效果依然優(yōu)于小電流驅(qū)動的水平散熱模式LED。此外，良好的散熱優(yōu)勢使得垂直模式LED在大電流驅(qū)動下獲得更高的光通量。在照明應(yīng)用中小功率LED加大電流提高光通量從而可降低成本。垂直模式LED散熱效率高、光通量高、成本低的優(yōu)勢是成為照明應(yīng)用光源趨勢的主要因素。[!--empirenews.page--]

表4.3014LED(25mA)與3528LED(20mA)的熱模擬對比

三、封裝試驗測試對比

(一)、兩種不同散熱結(jié)構(gòu)LED的封裝

為了保證可對比性，采用相同的物料(相同的芯片、固晶膠、金線、硅膠、熒光粉，)分別對3528 LED及3014LED進行封裝，制作色溫、色坐標相近的LED燈珠，以便更好的進行亮度、光衰及色坐標等光學(xué)特性的比較分析。

(二)、初始參數(shù)測試對比

隨機選取3014LED和3528LED各20個，其光通量和色溫如圖9、圖10所示，橫坐標表示LED個數(shù)，縱坐標表示光通量和相關(guān)色溫CCT。

圖9.光通量比較圖

圖10.色溫比較圖

初始參數(shù)測試結(jié)果表明，在20mA電流驅(qū)動下，3014LED的光通量比3528高，且其CCT集中度比3528LED好。另3014一般在30mA電流下驅(qū)動使用，其光通量達到10~11Lm;如上節(jié)熱模擬顯示，3528LED散熱效果遠不如3014LED，故其在大電流驅(qū)動下，光通量必定會嚴重受到過高熱量的影響。因此相比水平散熱LED，垂直散熱LED具有不可比擬的優(yōu)勢。

(三)、光衰試驗對比分析

隨機抽取3528LED和3014LED各30pcs，按驅(qū)動電流20mA、25mA、30mA各分為三組進行1008H的光衰實驗，以比較分析兩種不同散熱模式LED的光衰和色坐標漂移程度，從而研究散熱對其光色特性的影響。

圖11.LED光衰圖

從光衰圖曲線可以明顯看出，在1008H的老化過程中，水平散熱LED在20mA驅(qū)動時，其亮度并未隨時間衰減;但是在25mA 及30mA 驅(qū)動時，特別是30 mA，其亮度有明顯的衰減。這表明過高的熱量對亮度產(chǎn)生了很大的影響。相比水平散熱LED，垂直散熱LED的優(yōu)勢及穩(wěn)定性顯而易見。不管在大電流或小電流驅(qū)動，垂直散熱LED經(jīng)過1008H老化，亮度反而增高，并未有衰減趨勢。

此外，水平散熱LED的光衰隨驅(qū)動電流加大而升高加快，這表明隨著加大驅(qū)動電流，芯片產(chǎn)生更多的熱量，水平散熱LED未能把過多的熱量散去，從而使亮度受到的更大的影響。相反，垂直散熱LED的亮度隨驅(qū)動電流的加大而升高更多，電流越大，亮度增加的越多，光衰越慢。這表明電流越大，雖然產(chǎn)熱更多，但垂直散熱LED的散熱優(yōu)勢更加彰顯，從而降低了芯片在加大電流帶來更高熱量的影響。光衰圖明顯的顯示了兩種不同散熱模式的散熱效果的優(yōu)劣。

亮度衰減主要原因為芯片老化，而過高的熱量又是芯片老化的首要原因。與水平散熱LED相比，垂直散熱LED能將芯片產(chǎn)生的熱量迅速散去，有效地將芯片性能衰減降至最低，從而保證了亮度的可靠性。

圖12.CIE-x漂移圖

圖13.CIE-y漂移圖

圖12和圖13分別表示了兩種散熱模式LED的色坐標CIE-x、CIE-y平均值隨時間的變化。整體來看，垂直散熱LED的色坐標明顯較水平散熱LED穩(wěn)定，漂移較小。在30mA驅(qū)動下，垂直散熱模式LED色坐標CIE-x、CIE-y的平均值分別漂移-0.0027、-0.0033，而水平散熱模式LED色坐標CIE-x、CIE-y的平均值分別漂移-0.0210、-0.0246，兩者差距非常明顯。色坐標漂移主要因素是熒光粉性能老化，而過高的熱量又是導(dǎo)致熒光粉性能老化的首要原因。從而可以看出，垂直散熱模式LED可以將芯片產(chǎn)生的熱能迅速帶出，有效使得熒光粉的性能衰減至最低，從而保證LED燈珠的光色性能穩(wěn)定可靠。

結(jié)論

本文從結(jié)構(gòu)、光電參數(shù)、熱學(xué)特性、光衰及成本等方面對垂直散熱和水平散熱LED進行了研究分析對比，結(jié)果表明垂直散熱模式LED的光電熱特性均遠遠優(yōu)于水平散熱模式LED。垂直散熱模式優(yōu)異的散熱特性，能將芯片產(chǎn)生的熱量及時導(dǎo)出，從而將芯片和熒光粉的性能衰減至最低，使得LED亮度高、散熱快、光衰小及光色漂移小，在保證燈珠的性能穩(wěn)定的同時，也提高了照明燈具整體光色一致及性能可靠穩(wěn)定性，從而成為中小功率LED照明應(yīng)用光源的發(fā)展趨勢。

參考文獻:

[1] dr EICHHORN K.LEDs in automotive lighting[J].SPIE，2006，6134：1—6.

[2] Arik M,BecKer C,Weaver S,et al.Thermal management of LEDs:package to system[C].Proc.of SPIE,2004,5187:64-75.