改善散热结构提升白光LED使用寿命

技术分类: 电源技术  消费电子设计  | 2007-03-08
来源:照明工程师社区

 ■各业者展现散热设计功力

  由于散热鳍片与印刷电路板之间的密著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,有监于此美国 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 年开始样品出货的白光 LED 封装,不需要特殊接合技术也能够将厚约 23mm 散热鳍片的热量直接排放到外部,根据该 CITIZEN 表示虽然 LED 芯片的接合点到散热鳍片的 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,不过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。

  Lumileds 于 2005 年开始样品出货的高功率 LED 芯片,接合容许温度更高达 + 1850C ,比其它公司同级产品高 600C ,利用传统 RF4印刷电路板封装时,周围环境温度 400C 范围内可以输入相当于 1.5W 电力的电流(大约是 400mA ) 。所以 Lumileds 与 CITIZEN 使采取提高接合点容许温度,德国 OSRAM 公司则是将 LED 芯片设在散热鳍片表面,达成 9K/W 超低热阻抗记录,该记录比 OSRAM 过去开发同级品的热阻抗减少 40 %,值得一提是该 LED 模块封装时,采用与传统方法相同的 flip chip 方式,不过 LED 模块与热鳍片接合时,则选择最接近 LED 芯片发光层作为接合面,藉此使发光层的热量能够以最短距离传导排放。

  2003 年东芝 Lighting 曾经在 400mm 正方的铝合金表面,铺设发光效率为 60lm/W 低热阻抗白光 LED ,无冷却风扇等特殊散热元件前提下,试作光束为 300lm 的 LED 模块,由于东芝 Lighting 拥有丰富的试作经验,因此该公司表示由于模拟分析技术的进步, 2006 年之后超过 60lm/W 的白光 LED ,都可以轻松利用灯具、框体提高热传导性,或是利用冷却风扇强制空冷方式设计照明设备的散热,不需要特殊散热技术的

模块结构也能够使用白光 LED 。

■变更封装材抑制材质劣化与光线穿透率降低的速度

  有关 LED 的长寿化,目前 LED 厂商采取的对策是变更封装材料,同时将萤光材料分散在封装材料内,尤其是矽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 400450nm 的光线的百分比高达 45 %,矽质封装材料则低于 1 %,辉度减半的时间环氧树脂不到一万小时,矽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,这意味著照明设备使用期间不需更换白光 LED 。不过矽质树脂属于高弹性柔软材料,加工上必需使用不会刮伤矽质树脂表面的制作技术,此外制程上矽质树脂极易附著粉屑,因此未来必需开发可以改善表面特性的技术。

  虽然矽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萤光灯的使用寿命,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。目前有两种延长元件使用寿命的对策,分别是,抑制白光 LED 整体的温升,和停止使用树脂封装方式。

   一般认为如果彻底执行以上两项延寿对策,可以达成亮度 30 %四万小时的要求。抑制白光 LED 温升可以采用冷却 LED 封装印刷电路板的方法,主要原因是封装树脂高温状态下,加上强光照射会快速劣化,依照阿雷纽斯法则温度降低 100C 寿命会延长 2 倍。停止使用树脂封装可以彻底消灭劣化因素,因为 LED 产生的光线在封装树脂内反射,如果使用可以改变芯片侧面光线行进方向的树脂材质反射板,由于反射板会吸收光线,所以光线的取出量会急遽锐减,这也是 LED 厂商一致采用陶瓷系与金属系封装材料主要原因

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