大功率LED照明技術探討

高亮度發光二極體(LED)以其耗電量小、壽命長、回應速度快、無頻閃、體積小、無污染、易集成化等特點,正在成為傳統照明產業升級換代的新一代光源。在節能減排、保護環境日益受到關注的今天,半導體照明更是成為新的經濟增長點,因而受到世界各國政府、科技界與產業界的高度重視。迄今,美、日、歐、中國大陸及中國臺灣等均已推出各自的半導體照明計畫,大功率LED照明產業已成為最受矚目的產業之一。

值得注意的是,迄今上游外延晶片技術已基本成熟和定型,價廉物美的LED晶片已能夠滿足照明的需求,現在定價權正向中游封裝和下游應用終端市場轉移和發展。這意味著誰能將晶片應用好、製造出長壽命、高功效的大功率LED照明產品,誰就有可能成為LED產業的最終贏家。大功率LED照明封裝和應用方面的問題隨之凸顯出來,其中最為關鍵的就是如何解決大功率LED照明的散熱難題,這不僅是結構設計和工程應用等方面的技術問題,而且還涉及熱管理模式和流體力學等科學問題。與現有“晶片一鋁基板一散熱三層結構”大功率LED系列照明技術完全不同,我們研製的“晶片一散熱一體化(二層結構)集成式大功率LED照明系列燈具”,在技術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照明產業一個新的發展方向。

1 、大功率LED照明產品現狀

目前,LED的發光效率能使約30% 的電能轉換成光,其餘70% 的電能幾乎都轉換成熱能,使LED的溫度升高。小功率LED由於其發熱量非常小,基本上不用採取散熱措施就能被很好地應用,例如儀錶燈、信號燈、小尺寸液晶螢幕背光源等。但對於大功率LED,當應用於商業建築、道路、隧道、工礦等照明領域時,其散熱就是個大問題了。如果LED晶片的熱量不能散出去,會加速晶片的老化、光衰、色偏移、縮短LED的壽命。因此,大功率LED照明系統的結構模式和熱管理設計十分重要。

現在市場上所有大功率LED照明燈具均採用“晶片一鋁基板一散熱器三層結構模式”,即先將晶片封裝在鋁基板上形成LED光源模組,然後將光源模組安置在散熱器上製造成大功率LED照明燈具。

應該指出的是,目前大功率LED的熱管理系統仍沿用LED早期用於指示燈和顯示燈的方式,屬於小功率LED的熱管理模式。採用“晶片一鋁基板一散熱器三層結構模式”製備大功率LED照明,在系統結構方面存在明顯不合理的地方,如結構之間接觸熱阻多、結溫高、散熱效率低,所以晶片釋放出來的熱不能有效地導出和散出,導致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階段大功率LED亟待解決的關鍵技術之一。LED照明產品的發展方向和重點是:高功率、低熱阻、高出光、低光衰、體積小、重量輕,因而使得對LED的散熱效率要求越來越高。

但是由於受結構、成本和功耗等諸多因素的限制,大功率LED照明難以採用主動散熱機制,而只能採用被動式散熱機制,但被動式散熱具有較大的局限性;而且LED的能量轉換效率較低,目前仍然約有70%轉換為熱,即使光效再提高1倍也還有40% 的能量轉化為熱。也就是說,很難提高到不用考慮散熱的程度,所以從長遠看,大功率LED照明的散熱問題將是一個長期存在的問題。

現在大功率LED應用於照明的時機已經成熟,研製高效的自然散熱的熱管理系統,已成為大功率LED照明實現產業化的先決條件和關鍵因素。因此,需要新的技術路線及系統結構來徹底解決大功率LED照明散熱問題。

2 、大功率LED照明產業新的技術路線

針對現有大功率LED照明散熱技術存在多熱阻、散熱能力低的問題,我們試圖通過“晶片一散熱一體化(二層結構)模式”解決大功率LED照明光效低、光衰嚴重、成本高等系列問題。

2.1 技術路線

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

2.2 技術關鍵

如何增強對晶片的導熱能力,減少熱阻介面層,涉及到熱管理系統結構模式、流體力學以及超熱導材料工程應用等問題;如何有效控制散熱基體的熱儲量,規劃對流散熱路徑,建立高效自然對流散熱體系,主要從燈具結構設計著手。

2.3 技術方案

通過改變LED光源封裝結構、散熱結構和燈具結構模式,來減少熱阻層;應用超熱導材料,增加晶片熱源的導熱性能;基於“晶片一散熱一體化二層結構”優化熱管理系統,增加空氣的流動,形成自然對流散熱。

2.4 設計思路

採取模組化方式製備高功率LED燈具。將光源、散熱、外形結構等封裝成一個整體模組,而模組之間又相互獨立,任何一個模組都能被單獨更換,當一個部分發生故障時,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正常工作。燈具的所有模組部分都能徒手拆裝,實現方便、快捷、低成本的維護。

2.5 設計要點

對系統模組化,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(光學效率)需求、造型(市場)需求。

3 、晶片一散熱一體化結構簡介

“晶片一散熱一體化(二層結構)模式”是一種新型的LED光源封裝模式、結構模式和熱管理系統模式。利用該技術模式製備出的大功率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、壽命和維護等方面的問題,已經開發出長壽命、高光效的大功率LED系列產品,如路燈、筒燈、隧道燈、工礦燈、汽車前大燈、景觀燈等照明設備。

3.1 技術特點

3.1.1 將晶片和鋁合金+超熱導材料複合基體(散熱器)連接為一體,應用獨特的大功率LED封裝技術,將多個晶片集中直接封裝在散熱基體上,使晶片與散熱基體之間的熱阻更小,整個散熱基體就是一個完整的燈具,形成集成式大功率LED照明部件。

3.1.2 基於仿生學原理設計熱管理系統,建立了晶片一散熱一體化二層結構熱阻模型,對其進行了結溫計算和壽命預測。

晶片一散熱一體化二層結構的特點是熱源晶片直接封裝在散熱器上,隨著發熱源的溫度升高,空氣在多孔狀散熱器中發生流動,多孔為空氣對流提供了流動通道,熱被自動散發出來,確保晶片在安全使用溫度範圍內正常工作。先進的導熱和熱對流系統確保良好的散熱效果,進一步提高了晶片的發光效率。

3.1.3 將晶片(45mil×45mi1)進行集成式封裝(晶片集中在一個小區域),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。

目前,運用上述技術已製備出了“晶片一散熱一體化(二層結構)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扇加強散熱,難於滿足市場化應用需求,利用二層結構製成的集束式大功率LED汽車前大燈,解決了目前汽車燈行業採用LED光源製造汽車前大燈的局限性

3.2 產品技術指標及優勢

(1)高效散熱:採用自然散熱方式,徹底解決大功率LED散熱難題(溫差<4℃ ,散熱器溫度<60℃,在環境溫度>35℃ 的條件下實測);

(2)大電流:供給晶片的額定電流每顆為400— 450mA;

(3)高光效:整燈光效達到了90.9 lm/W;

(4)長壽命:>50 000h;

(5)光衰小:國家燈具品質監督檢驗中心檢測結果為:1 000h壽命測試無光衰;

(6)集成式:該集成式為COR (Chip On Radiator),即晶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。集成晶片為單顆,呈面光源、單光源或集束式光源(安裝玻璃透鏡)射出;

(7)照明效果與傳統的非LED光源一樣,不改變人類的用光習慣;

(8)結構簡單:便於維護,無需整體更換。

4 、大功率LED照明產業技術發展方向

目前,對於大功率LED照明產業的技術路線,我們認為有兩條路可選擇:一條路是繼續沿著“晶片一鋁基板一散熱器(三層結構)模式”技術路線發展;另一條路是開拓“晶片一散熱一體化(二層結構)模式”技術路線。“晶片一散熱一體化結構”是一種新興技術,在這種結構中,除晶片外,其他均為全新的內容,包括晶片一散熱一體化、封裝、電源、成套裝備、檢測、甚至標準等,它使得大功率LED照明產品在壽命、光效、品質、設計、可控性、成本等方面相對“晶片一鋁基板一散熱器三層結構模式”有明顯的優勢,是中國在大功率高效半導體固態照明研究、應用和產業化方面可以大有作為的一個新領域。
 

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