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提升LED照明灯具有效利用率减少热阻抗成关键

时间:2013-04-25 10:12 来源:http://www.hnlsled.com 点击:
    摘要: 减少热阻抗、改善散热提升LED照明灯具的光效均匀性,必需设法减少热阻抗、改善散热问题。具体内容分别是:降低芯片到封装的热阻抗、抑制封装至印刷电路基板的热阻抗、提高芯片的散热顺畅性。
    一般认为只要改善白光LED的荧光体材料浓度均匀性与荧光体的制作技术,应该可以克服上述困扰,但解决封装的散热问题才是根本方法。
   
    提升LED照明灯具的发光效率,改善芯片结构与封装结构,都可以达到与低功率白光LED相同水平,为了降低热阻抗,许多国外LED厂商将LED芯片设置在铜与陶瓷材料制成的散热器(heatsink)表面,接着再用焊接方式将印刷电路板的散热用导线连接到利用冷却风扇强制空冷的散热器上。
  • 关于减少热阻抗、改善散热提升LED灯具的光效利用率   
     根据德国OSRAMOptoSemiconductorsGmb实验结果证实,上述结构的LED芯片到焊接点的热阻抗可以降低9K/W,大约是传统LED的1/6左右,封装后的LED施加2W的电力时,LED芯片的接合温度比焊接点高18K,即使印刷电路板温度上升到50℃,接合温度顶多只有70℃左右;相比之下以往热阻抗一旦降低的话,LED芯片的接合温度就会受到印刷电路板温度的影响。
    降低LED芯片到焊接点的热阻抗,可以有效减轻LED芯片降温作用的负担。反过来说即使白光LED具备抑制热阻抗的结构,如果热量无法从封装传导到印刷电路板的话,LED温度上升的结果仍然会使发光效率急剧下跌。因此,松下电工开发印刷电路板与封装一体化技术,主要原因是电流密度提高2倍以上时,不但不容易从大型芯片取出光线,结果反而会造成发光效率不如低功率白光LED的窘境。如果改善芯片的电极构造,理论上就可以解决上述取光问题。
   
 
    由于散热器与印刷电路板之间的致密性直接左右热传导效果,因此印刷电路板的设计变得非常复杂。有鉴于此美国Lumileds与日本CITIZEN等照明设备、LED封装厂商,相继开发高功率LED用简易散热技术,CITIZEN在2004年开始开始制造白光LED样品封装,不需要特殊接合技术也能够将厚约2~3mm散热器的热量直接排放到外部,根据该CITIZEN报道虽然LED芯片的接合点到散热器的30K/W热阻抗比OSRAM的9K/W大,而且在一般环境下室温会使热阻抗增加1W左右,即使是传统印刷电路板无冷却风扇强制空冷状态下,该白光LED模块也可以连续点灯使用。
  • 关于延长LED照明灯具使用寿命
    虽然硅质封装材料可以确保LED四万小时的使用寿命,然而照明设备业者却出现不同的看法,主要争论是传统白炽灯与荧光灯的使用寿命,被定义成“亮度降至30%以下”。亮度减半时间为四万小时的LED,若换算成亮度降至30%以下的话,大约只剩二万小时左右。目前有两种延长组件使用寿命的对策,分别是,抑制白光LED整体的温升,和停止使用树脂封装方式。
     
      延长LED照明灯具使用寿命的关键是同时将荧光材料分散在封装材料内,尤其是硅质封装材料比传统蓝光、近紫外光LED芯片上方环氧树脂封装材料,可以更有效抑制材质劣化与光线穿透率降低的速度。由于环氧树脂吸收波长为400~450nm的光线的百分比高达45%,硅质封装材料则低于1%,辉度减半的时间环氧树脂不到一万小时,硅质封装材料可以延长到四万小时左右,几乎与照明设备的设计寿命相同,这意味着照明设备使用期间不需更换白光LED。不过硅质树脂属于高弹性柔软材料,加工时必需使用不会刮伤硅质树脂表面的制作技术,此外加工时硅质树脂极易附着粉屑,因此未来必需开发可以改善表面特性的技术。
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