摘要：本文分析了中小功率LED新型散熱模式——垂直散熱的潛在優點。與傳統散熱模式——水平散熱相比，新型垂直散熱LED具有亮度高、散熱快、光衰小、穩定性高等優點。本文對不同散熱模式LED的結構、散熱方式、光衰及色坐標漂移進行了分析對比，並進行熱特性模擬和實驗測試分析。從散熱、可靠穩定性及成本體積等各個方面研究了基於垂直散熱結構的LED光電熱特性，指出垂直散熱結構中小功率LED是目前應用照明光源的發展趨勢。
關鍵詞：LED；熱管理；ANASYS；光電熱特性；光衰
介紹
LED固體光源，與傳統光源相比，具有效率高、光色純、能耗低、壽命長，可靠耐用、應用靈活、無污染等優點，目前已廣泛應用於道路照明、家用照明、汽車燈照明、景觀照明等領域【１】。然而良好的散熱特性是LED優異性能和穩定可靠的根本保證。溫度對LED性能產生重要的影響，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、光轉換效率以及應用產生重要的影響【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點。與傳統水平散熱模式LED相比，垂直散熱結構LED具有亮度高、散熱快、光衰小、成本低、穩定可靠的特點，是目前中小功率LED中應用照明光源的發展趨勢。
一、垂直與水平散熱模式結構對比
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選用目前市場及應用熱門的3014LED為例，傳統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的結構示意圖，圖3所示為兩種LED的散熱方式示意圖。
圖1.垂直散熱模式結構示意圖
圖2.水平散熱模式結構示意圖
圖3.水平與垂直散熱方式示意圖
從圖1、圖2的結構圖中可以看出，3528LED在結構是通過銲接兩端電極的焊腳進行散熱，散熱方式為水平散熱。3014LED在結構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構LED 的散熱模式。
二、LED燈珠的熱學特性模擬
為了更好的研究對比分析不同散熱結構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模擬分析。
為了能更方便的計算LED的熱阻，首先設置底板溫度參數為60℃，芯片功率為0.06W，固晶膠KER-3200-TI厚度為0.01mm，驅動電流為20mA進行熱分析，水平散熱結構 LED及垂直散熱結構LED的熱分佈分別如圖4、圖5所示。
圖4.水平散熱結構LED熱模擬溫度分佈圖
圖5.垂直散熱結構LED熱模擬溫度分佈圖
表1.散熱模擬溫度數據
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於3528 LED，熱量過於集中所造成。但垂直散熱模式的溫差較小，其熱阻117 mm²℃/W也遠低於傳統水平散熱156 mm²℃/W，均表明垂直散熱模式的散熱效率優於水平散熱模式。
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，只設定驅動電流為20mA，與現實使用情況相符。水平散熱LED及垂直散熱LED的熱分佈分別如圖6、圖7所示。
圖6.水平散熱結構LED熱模擬溫度分佈圖
圖7.垂直散熱結構LED熱模擬溫度分佈圖
表2.LED散熱模擬溫度數據
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、熱阻等各項參數均遠小於水平散熱燈珠，這表明垂直散熱模式能把積聚在內部芯片的熱量及時散去。此模擬結果表明了在不設定任何溫度限制即更接近於客觀事實的情況下垂直散熱模式具有更高散熱效率的優勢。
因一般3014LED在使用過程中一般多用25mA或者30mA電流驅動，所以對25mA 驅動的3014LED進行了熱模擬分析。模擬條件如下：功率設為0.072W，固晶膠厚度設為0.01mm，正向電流IF設為25mA，相同尺寸鋁板，不限定溫度。此種情況的熱分佈分別如圖8所示。表3為此次熱模擬分析的結果。與垂直散熱LED在20mA驅動時散熱情況相比，其芯片和負極的溫度大幅度降低，表明垂直散熱LED在大電流驅動時凸顯出更優的散熱效果。
圖8.垂直散熱結構LED熱模擬溫度分佈圖
表3.垂直散熱結構LED熱模擬結果（25mA）
對比表2和表3即如表4所示，通過分析，3014LED即使在25mA驅動下，其芯片、負極溫度、溫差與20mA驅動的3528LED相當，而其熱阻130 mm²℃/W遠低於20mA驅動的3528LED。結果表明
即使大電流驅動垂直模式LED，其散熱效果依然優於小電流驅動的水平散熱模式LED。此外，良好的散熱優勢使得垂直模式LED在大電流驅動下獲得更高的光通量。在照明應用中小功率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、成本低的優勢是成為照明應用光源趨勢的主要因素。
表4.3014LED（25mA）與3528LED（20mA）的熱模擬對比
三、封裝試驗測試對比
（一）、兩種不同散熱結構LED的封裝
為了保證可對比性，採用相同的物料（相同的芯片、固晶膠、金線、硅膠、螢光粉，）分別對3528 LED及3014LED進行封裝，製作色溫、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特性的比較分析。
（二）、初始參數測試對比
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，縱坐標表示光通量和相關色溫CCT。
圖9.光通量比較圖
圖10.色溫比較圖
初始參數測試結果表明，在20mA電流驅動下，3014LED的光通量比3528高，且其CCT集中度比3528LED好。另3014一般在30mA電流下驅動使用，其光通量達到10~11Lm；如上節熱模擬顯示，3528LED散熱效果遠不如3014LED，故其在大電流驅動下，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具有不可比擬的優勢。
（三）、光衰試驗對比分析
隨機抽取3528LED和3014LED各30pcs，按驅動電流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驅動時，其亮度並未隨時間衰減；但是在25mA 及30mA 驅動時，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生了很大的影響。相比水平散熱LED，垂直散熱LED的優勢及穩定性顯而易見。不管在大電流或小電流驅動，垂直散熱LED經過1008H老化，亮度反而增高，並未有衰減趨勢。
此外，水平散熱LED的光衰隨驅動電流加大而升高加快，這表明隨著加大驅動電流，芯片產生更多的熱量，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，雖然產熱更多，但垂直散熱LED的散熱優勢更加彰顯，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穩定，漂移較小。在30mA驅動下，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螢光粉性能老化，而過高的熱量又是導致螢光粉性能老化的首要原因。從而可以看出，垂直散熱模式LED可以將芯片產生的熱能迅速帶出，有效使得螢光粉的性能衰減至最低，從而保證LED燈珠的光色性能穩定可靠。
結論
本文從結構、光電參數、熱學特性、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，結果表明垂直散熱模式LED的光電熱特性均遠遠優於水平散熱模式LED。垂直散熱模式優異的散熱特性，能將芯片產生的熱量及時導出，從而將芯片和螢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定的同時，也提高了照明燈具整體光色一致及性能可靠穩定性，從而成為中小功率LED照明應用光源的發展趨勢。
參考文獻
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[2] Arik M,BecKer C,Weaver S,et al.Thermal management of LEDs:package to system[C].Proc.of SPIE,2004,5187:64-75．
深圳市九洲光電科技有限公司，深圳光明新區九洲工業園，518000
深圳大學光電子學研究所，封裝實驗室，深圳南山，518000
作者：劉沛，郭倫春，夏鼎智，羅強
