大功率白光LED路燈發光板設計與驅動技術

摘要： 為最大可能提高大功率LED路燈發光板的電光轉化率與散熱效率，在不影響外量子效率前提下對LED芯片設計采用擴大LED芯片面積，以及電極優化技術增加LED芯片的出光量，使芯片表面熱流均勻分布，芯片工作更穩定。分析了大功率白光LED的封裝過程對提高芯片取光率、保障白光質量、器件散熱技術的綜合應用。綜合上述技術及有限元分析軟件對大功率LED器件封裝的熱阻分析結果，確定了COB(chip onboard)LED芯片的陣列組裝技術，為制造LED路燈發光板的最佳技術方案。LED芯片結溫很容易控制在120 ℃以下，與外部散熱技術兼容性好。通過光線最佳歸一化數學模型計算了LED芯片陣列芯片間最佳距離。最后通過對各種白光LED驅動方案的比較，確定了白光LED最佳驅動方案為恒電流驅動脈寬調制(PWM)調節亮度。

1 引 言

LED是一種綠色照明光源，其主要優點是發光效率高。隨著材料科學的進展，在未來十幾年其發光效率會有更大幅度的提高;且能量消耗低、壽命長、材料可回收，不會污染環境。

基于LED照明的以上優點，歐美、日本和韓國都制定了相應的法律法規和產業扶持政策，在未來十幾年的時間里大規模推廣相關技術到民用照明領域。我國雖然起步比較晚，但最近幾年也開始了積極的科研開發和產業政策的制定和扶持等工作。

2 大功率白光LED路燈發光板設計的相關應用技術

目前，白光LED 技術主要有三種：采用InGaN藍色LED管芯上加少量釔鋁石榴石為主的熒光粉，由藍光LED激發熒光粉發出黃光，與藍光混合發出白光;利用三基色原理將紅、綠、藍三種LED混合成白光;用紫外光LED 激發三基色熒光粉產生多色光混合成白光。

其中第二種方案控制難度較高、而且陣列應用很難保證發出均勻的白光，而第三種白光技術所發白光有紫外光成分，因此這里選擇第一種白光技術進行應用技術分析。大功率白光LED的發明成功為半導體發光元件進入照明領域提供了物質與技術保障。大功率白光發光二極管在照明領域的使用需要注意兩方面問題：電/光轉化率和發光組件的熱控制。

大功率LED是一種小型器件，隨著制造技術的提高，輸入的驅動電流越來越大，輸入功率也隨之提高。雖然電/光轉化率較高，但從芯片面積上來講，應該算作是點光源，因此單位面積上發熱量很大。而大功率LED器件性能隨著結溫的升高會受到很大影響，超過一定溫度后，電/光轉化率會急劇下降，甚至器件因為溫度過高而永久失去功能。

2. 1 提高大功率LED 芯片電/光轉化率并使芯片熱流密度均勻化的芯片級應用技術

隨著技術發展， LED的芯片二維尺寸不斷地增大，通過擴大LED芯片面積，使得LED輸出功率提高，發光亮度得以大幅度地提高。但若一味加大芯片面積，反而會出現LED炔康墓馕收比率增加、外部量子效率降低等不利的現象，并且結溫的溫升也會進一步升高。而且隨著芯片二維尺寸的增加，芯片本身的發光效率也下降得很快。

為了優化LED芯片的熱學、光學性能，一方面除了加大芯片的尺寸，另一方面可以通過優化芯片上電極結構使得整個芯片在工作時的電流均勻地擴散分布。如果電流分布不均勻，往往會導致熱流密度以及光通量的不均勻分布，在芯片內部產生局部的熱斑，這樣將大大地降低LED器件的效率和可靠性。

為減少LED芯片中橫向電流不均勻分布，有效電流路徑長度必須很短并且同等，該長度決定于正電極和負電極的空間距離。圖1(b)芯片電極通過優化后電流密度在整個芯片分布的均勻性要比圖1 ( a)好。

圖1 LED中不同電極結構的電流擴展分布

可知對于大芯片LED,單獨一個電極設計是不利于電流擴散，因此現在的大功率LED多采用梳狀條形交叉電極、梳狀條形與點狀結合的電極以及米字形的電極結構設計。這可以使得芯片內電流分布比較均勻，使發光芯片由單電極結構的點光源成為面光源，提高芯片總的光輸出通量，另外可以使得芯片的表面熱分布均勻，防止產生熱斑。圖2所示為主流的大功率LED的電極結構示意圖，其中的米字型電極設計的芯片為美國Cree公司的專利產品。

圖2 大功率LED芯片電極結構。

米字形電極結構主要應用是基于導電碳化硅( SiC)襯底生長的LED,其電流是垂直擴散，比起在絕緣透明藍寶石(sapphire)襯底上生長GaN基梳狀電極的LED芯片的橫向擴散電流，其電流分布均勻性更好。

2. 2 大功率白光LED 的封裝階段對LED 芯片取光、保障白光質量與器件快速散熱技術的綜合應用

固晶階段：將LED芯片焊接固定在導熱襯底(熱沉)上，一般在襯底上由下而上地敷有絕緣層、電路層、反射層。圖3~5為三種芯片在襯底上的焊接固定方式。

圖3 LED芯片正向焊接與雙電極金屬鍵合示意

圖4 梳狀條形電極LED芯片倒裝焊接與雙電極金屬鍵合示意

圖5 倒轉焊在硅片上的單電極芯片

其中圖4 和圖5 的固晶方式與圖3 的常規LED芯片的固晶方式相比較，將芯片的發熱端與熱沉層直接接觸，非常容易散熱，將比較大的發光面朝上，既考慮了取光率也考慮了散熱，這是目前主流的大功率LED芯片焊接固定方式。