解析溫度對大功率LED照明系統光電參數的影響

近年來，LED技術得到迅猛發展，其在信號指示、照明、背光源、顯示等方面得到廣泛的應用。隨著芯片技術的提高，LED已經進入大功率的時代。現在1W級的大功率LED正被照明行業使用，并顯示出了光明的前景。LED功率及光效的提高，使得LED燈具代替傳統照明方式成為可能。發光二極管的核心部分是由p型半導體和n型半導體組成的芯片，在p型半導體和n型半導體之間有一個過渡層，稱為p-n結。在某些半導體材料的p-n結中，注入的少數載流子與多數載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能，LED就是利用注入式電致發光原理制作的。

　　由于目前LED量子效率低，在工作過程中會產生大量的熱，大功率LED的熱效應尤為明顯。如果這些熱量不能及時的散發出去，就會使LED中p-n結的溫度(結溫)迅速升高，導致芯片載流子有效復合幾率下降，出射光子的數目減少，取光效率降低，還會使得LED芯片的發射光譜發生紅移，這對利用藍光激發YAG發光粉來取得白光的LED照明系統是非常不利的，因此LED的散熱成為LED照明技術發展的重大課題，解決LED照明系統的散熱問題迫在眉睫。

　　COB技術是裸芯片貼裝技術之一，半導體芯片貼裝在印刷線路板上，芯片與基板的電氣連接用引線縫合方法實現。在大功率LED燈具制造過程中，通常的做法是利用COB的方法將LED芯片封裝在鋁質或者銅質基板上，利用自動焊線機將芯片與基板上的電路連接，再將基板與外部電路連接在一起。基板固定在鋁質散熱器上將熱量散發出去。因此，散熱器質量的好壞直接影響著LED燈具的壽命、效率和出光質量。

　　對于制造性能可靠，高亮度LED系統，熱管理是一個關鍵技術。解決LED照明系統的散熱問題，必須預先知道溫度對大功率LED照明系統的光電參數的影響。國內外許多學者對LED芯片的熱阻方面做了大量的研究，但對于商用照明的白光LED的散熱方面的研究卻很少。本文就照明用大功率白光LED燈具中，光源光通量、電學參數等光電參數受溫度的影響做出分析。　　測試系統及實驗

　　1.實驗選材與儀器

　　本文采用的是1W×3串聯封裝的白光LED照明模塊，其結構如圖1所示。芯片選用臺灣晶元光電制造的45mil藍寶石襯底InGaN芯片。發光粉為弘大所生產，與道康寧硅膠以一定比例混合制成發光粉涂層。導熱膏選用TIG78040型導熱膏，其熱導率為4.0W/mK。基板材質為鋁質。選取4只不同規格的鋁合金(6063)圓柱形鰭片

　　散熱器，編號為1-4號，其中1號散熱器經過氧化處理，2-4號散熱器未經過氧化處理。規格分別為Φ30mm×H47mm，Φ53mm×H30mm，Φ45mm×H54mm，Φ44mm×H64mm。利用杭州遠方光電生產的PMS-50plus紫外-可見-近紅外光譜分析系統記錄光電參數。并用杭州威博科技制造的TC-2008多路溫度測試儀記錄溫度。

圖1通用照明LED模塊結構示意圖

　　2.實驗過程與數據采集

　　將LED光源安裝在散熱器上，把TC-2008多路溫度測試儀的熱電偶安裝在散熱器內部以測量散熱器的溫度，測試點為鋁質散熱器與基板相接處。將上述裝置安裝好后放入積分球，利用350mA恒流電源驅動，以10s為周期記錄溫度與光電參數。測試系統結構如圖2所示。在穩恒電流驅動下的LED模塊，熱量由能夠很好的滿足散熱要求的鋁基板傳輸到鰭片散熱器上，再依靠鰭片散熱器散發出去。LED模塊工作時散熱器溫度會迅速升高，連接在一起的TC-2008多路溫度測試儀會記錄散熱器溫度的瞬時值，同時，PMS-50光譜分析系統會記錄下相應的光電參數。

　圖2LED光電參數測試系統結構示意圖

　　結果與分析

　　1.溫度對光通量的影響

對于正裝大功率LED，芯片側表面和上表面散熱能力差，熱量絕大部分是依靠熱傳導將熱量傳到散熱器，利用散熱器的對流將熱量散掉。因此，LED散熱器質量的好壞直接影響著LED中p-n結的溫度，LED的衰減主要取決于結溫。

所以，設計和使用合理的散熱器對于降低大功率LED的光衰有著重要的意義。如圖3所示，以350mA電流驅動LED光源，其溫度會在一段時間內迅速上升，并且維持在熱平衡溫度上。其原因主要是由于LED開始通電時會產生大量的熱量，但芯片和散熱基板間的熱界面材料(TIM)的熱導率很低(4.0W/mK)，這些熱量傳到散熱器上需要一定的時間，所以會有一段溫度急劇上升的曲線，當基板和散熱器溫度相同時，就達到了一種熱平衡狀態。此時，基板和散熱器的溫度不再變化，并將維持下去。這一熱平衡溫度取決于散熱器的形狀和大小，如圖所示，四只散熱器樣品達到熱平衡狀態的時間和最后的溫度是不同的，其熱平衡溫度分別為59.8，49.0，47.4，44.4℃。