基于提高LED光源耐溫性能的實驗探討(一)

　作者：汪峰

　　編者按

　　LED光衰是業界共同關心急待解決的技術難題，本文作者從理論和實踐作了深入分析研究。對LED常用技術術語作了精細而獨到的闡述，無論正確與否，討論這些技術術語無疑這對規范LED技術用語定義和相關標準建立大有裨益。作者提出了提高LED光源耐溫特性可降低LED光衰并運用系統設計綜合技術治理LED光衰的設計思路，具有前瞻性和創新性，希望引起業界關注和討論。我們也期待作者的新技術產品盡早上市。

　　前言

　　半導體照明是本世紀一場技術革命，從技術成熟角度看它還是個嬰兒，雖然LED大功率白光技術發展很快，然而LED光衰、散熱、成本這三個與生俱來的痼疾仍然是LED照明普及發展的攔路虎。LED光衰、散熱貫穿了從芯片制造、封裝制程、材料選擇、燈具開發整個產業鏈，目前業界對光衰的概念、產生的原因以及如何解決還認識不足，理論尚無權威解釋，國家相關標準難以出臺，以致出現人云亦云、你抄我搬稀奇古怪的技術亂象，長期以來人們拼命圍繞用散熱方法來減少LED光衰，然而見效甚微。解決LED光衰成為業界共同關心、翹首以待的技術難題,人們不禁要問：設計師為何不另辟蹊徑從源頭深入尋找LED光衰原因？筆者對提高LED光源的耐溫特性可減少LED光衰從理論和實踐進行了深入探討，將陸續推出相關文章和實驗報告。

　　關鍵詞

　　LED光效、LED熱阻、LED光衰、WFCOB光源、LED模組照明燈

　　目錄

　　第一章

　　一、 LED光效：區分瞬態光效和穩態光效的意義

　　二、 LED熱阻：區分光源內部熱阻和光源外部熱阻的意義

　　三、LED光衰：光衰是光源部件超過耐溫極限不可逆的損傷現象。

　　第二章

　　一、提高LED光源的耐溫特性可減少LED光衰

　　二、為何要提高LED光源的耐溫度特性

　　三、如何讓LED光源耐受高溫

　　第三章

　　一、集成光源墓基板和鋁基板完全沒必要做到3750V耐壓

　　二、LED驅動電源可否用液冷技術解決這塊短板

　　第四章

　　介紹一種WFCOB光源

　　第五章

　　介紹一種LED模組照明燈

　　第一章

　　一、LED光效

　　LED光源發出的光通量(lm)除以光源所消耗的功率(W)稱為LED光效，單位lm/W。

　　區分瞬態光效和穩態光效的意義

　　LED瞬態光效是指LED光源開始工作時的發光效率，也稱初始冷態光效，它是被測光源施加一定短脈沖電流所測得的瞬間光通量，測量時通常給出大于芯片而小于基板的發熱時間常數，所加熱脈沖寬度通常在1-幾十ms。

　　瞬態光效是LED光源短時間的光_電轉換特性，它與芯片和熒光粉量子激發能力、膠體折射率、透光率、支架結構(反光杯)反光率等條件有關，與芯片結溫基本無關。它只有測量對比意義，瞬態光效不能代表實際工作狀態。

　　穩態光效是指LED光源工作一段時間進入熱穩定后，芯片結溫不再上升、光強不再變化時所測出的光通量與電功率之比。穩態光效是指LED整體燈具除了驅動電源以外的系統光效，它反映LED實際工作的光、電、熱綜合特性。穩態光效包括除LED瞬態光、電特性外，還包括系統傳熱、散熱的溫度變化狀態，也稱系統光,是整體燈具真實工作效率。

　　二、LED熱阻

　　1. LED熱阻

　　熱阻通常是指熱流通過物體時的阻力。是由物質材料的本質所決定的。熱阻的大小和熱流通過的路徑長度成正比，和路徑的截面積成反比，和材料的導熱系數成反比。即：

　　Rth=L/Sλ

　　2. 區分光源內部熱阻和光源外部熱阻的意義

　　對系統而言， LED熱阻包括：光源內部熱阻和光源外部熱阻見圖1。

　　光源內部熱阻

　　光源內部熱阻也稱封裝熱阻，包括：

　　（1）LED芯片材料自身的熱阻，RL1。

　　（2）芯片和基板(熱沉)粘接熱阻，RL2。

　　（3）基板傳導熱阻RL3 ，

　　（4）灌封膠體熱阻，RL4。

　　（5）透鏡熱阻，RL5。

　　光源外部熱阻包括：

　　（1）熱沉下層的導熱硅膠熱阻，RO1。

　　（2）覆銅板熱阻，RO2。

　　（3）覆銅板與鋁基板之間的絕緣薄膜熱阻，RO3。

　　（4）鋁基板熱阻，RO4。

　　（5）鋁基板與散熱器之間的導熱硅膠產生熱阻，RO5。

　　（6）散熱器熱阻，RO6。

　　應用中光源內部熱阻即封裝熱阻，它關系到光衰和壽命是衡量光源品質的重要指標，對燈具用戶來說是無法改變的，亦即系統設計無計可施。系統光效與系統熱阻成反比，熱阻越低，光效越高。

　　3, 用穩態光效和瞬態光效之比來衡量系統的光熱特性

　　目前LED光源熱阻測量國家尚未出臺標準，通常依照普通半導體器件的熱阻測量方法采用電壓測量法，先測出K值，再計算岀某位置到PN結的熱阻。還有光譜法、光熱阻掃描法及光功率法。由于測量程序復雜，難以規范，因此仍然應用不廣。人們從傳熱學引入LED“熱阻”一詞無非是希望能通過測量找出光源和燈具每個節點溫升狀況，以便將光源溫度工作設計在安全范圍內,減少LED光衰。其實，測試結溫及計算熱阻目的意義僅在于對比系統傳熱性能，以便優化散熱/成本比，這無需拐彎抹角去反復測量和計算，操作復雜還不夠準確。本人建議只要在LED燈具系統中測量各級傳熱通路的溫度差即可表現出來的它們之間熱阻大小，亦即用“節點溫差”去理解“熱阻”。筆者建議用穩態光效和瞬態光效之比來衡量系統的光熱特性。測量方法：首先測量岀瞬態光效。當系統工作進入熱穩定之后，光源溫度不再上升、光強不再下降而相對穩定之后測出穩態光效，用穩態光效除以瞬態光效即是穩態光效和瞬態光效之比，根據熱阻與光效成反比的關系，其比值大小即可看出不同燈具的系統光效或熱阻的高低好壞，注意通常測量要排除電源影響。比如：兩個不同的路燈A和B，分別測出它們瞬態光效和穩態光效之比，A=95%，B=90% ,即可認定A好于B 這種測試方法簡單易操作，筆者建議經過大家討論和完善將該測量方法推薦行業測量規范和技術標準中。

　　三、LED光衰

　　1, LED光衰：LED光衰是指LED經過一段時間的點亮之后，其光強比初始光強會降低，且不能恢復，即降低的部分稱為LED的光衰。目前我國尚未制定LED光衰的定義及通用標準。 GB/T 24823-2009要求LED模塊性能要求規定的光通維持率是在燃點3000h時，其光通維持率應不低于92%僅試用室內燈具的某個產品，業界普遍呼吁國家盡快制定LED光衰標準。

　　2, LED光衰是光源部件超過耐溫極限不可逆的損傷現象

　　眾所周知，LED工作之后其光強會著芯片結溫升高而下降，光效隨之降低，這是半導體隨溫度變化的固有的物理特性，只要光源某個部件不超過溫度極限而損傷， LED停止之后溫度降到原始値,其光強還會恢復如初，也就是說LED不管工作多久、反復多次只要初始光強不變就不能認為光衰，光衰是指光源因長時間工作溫度超過極限値而光強恢復不到初始値稱為光衰，亦即光通量下降不可逆轉才是真正意義的光衰。LED光衰是光源部件超過耐溫極限不可逆的損傷現象。

　　3,目前所有芯片廠和封裝廠所標稱的光效都是瞬態光效

　　有人認為美國CREE公司公布的LED芯片結溫和之間的關系曲線是LEF光衰曲線,不少人將它視為LED芯片光衰曲線，以至封裝廠也將它搜搬抄到出廠規格書中，這是錯誤的。

　　上圖CREE所公示溫度與光通量/光功率關系曲線是基于向用戶表達在設計使用中不要讓芯片超過一定結溫范圍，以保障在額定光功率下導致光通量下降或產生光衰。筆者認為這組曲線不是LED芯片光衰的因果關系，它應該是LED光源的光通量和溫度有關的多種元件綜合曲線。很多人認為這組曲線是單純芯片光衰原因，并不包括熒光粉、粘膠、支架以及與溫度有關的系統部件影響，這是認識誤區。LED光源無論是Ta=25度還是在Ta=85℃溫度下測試，都是光源系統在某個特定溫度下的穩態測量值 ,由于穩態光效受溫度諸多變量關系影響，測試復雜不夠準確，而且時間較長，所以目前所有芯片廠和封裝廠對外標稱的光效都是瞬態光效,下游用戶驗收也是如此。世界上無論哪個公司對外公布產品性能指標必須有可操作性和可重復性，也就是說客戶購買你的產品對其規格無法或難以檢驗，則無法通行。一些國外廠商有意夸大光效超過傳統值數倍是沒有任何實用意義的，因為LED光效與光衰不是由LED芯片單一因素造成，它與系統熱阻諸多條件有關，拿試驗室光效說事只有宣傳意義沒有任何實用意義，某公司如推出303LM/W產品而閉門不推向市場，業界無法理解和認同。再說決定LED光效芯片不是唯一原因，也不是主要原因，用戶一味追求某品牌而不重視系統設計是認識誤區，會勞而無功、事倍功半。

　　結語

　　討論LED光效、LED熱阻、LED光衰這幾個廣為流行的專業詞語，區分瞬態光效和穩態光效的意義，是為了進一步揭示LED光衰原因，找出解決對策。同時對規范LED技術用語定義和建立相關技術標準無疑也大有裨益。