基于提高LED光源耐温性能的实验探

第一章

 

　　一、 LED光效：区分瞬态光效和稳态光效的意义

　　二、 LED热阻：区分光源內部热阻和光源外部热阻的意义

　　三、 LED光衰：光衰是光源部件超过耐温极限不可逆的损伤现象。

　　第二章

　　一、提高LED光源的耐温特性可减少LED光衰

　　二、为何要提高LED光源的耐温度特性

　　三、如何让LED光源耐受高温

　　第三章

　　一、集成光源墓基板和铝基板完全没必要做到3750V耐压

　　二、LED驱动电源可否用液冷技术解决这块短板

第一章

 

　　一、 LED光效

 

　　LED光源发出的光通量(lm)除以光源所消耗的功率(W)称为LED光效，单位lm/W。

 

　　区分瞬态光效和稳态光效的意义

 

　　LED瞬态光效是指LED光源开始工作时的发光效率，也称初始冷态光效，它是被测光源施加一定短脉冲电流所测得的瞬间光通量，测量时通常给出大于芯片而小于基板的发热时间常数，所加热脉冲宽度通常在1-几十ms。

 

　　瞬态光效是LED光源短时间的光_电转换特性，它与芯片和荧光粉量子激发能力、胶体折射率、透光率、支架结构(反光杯)反光率等条件有关，与芯片结温基本无关。它只有测量对比意义，瞬态光效不能代表实际工作状态。

 

　　稳态光效是指LED光源工作一段时间进入热稳定后，芯片结温不再上升、光强不再变化时所测出的光通量与电功率之比。稳态光效是指LED整体灯具除了驱动电源以外的系统光效，它反映LED实际工作的光、电、热综合特性。稳态光效包括除LED瞬态光、电特性外，还包括系统传热、散热的温度变化状态，也称系统光,是整体灯具真实工作效率。

 

　　二、 LED热阻

 

　　1. LED热阻

 

　　热阻通常是指热流通过物体时的阻力。是由物质材料的本质所决定的。热阻的大小和热流通过的路径长度成正比，和路径的截面积成反比，和材料的导热系数成反比。即：

 

　　Rth=L/Sλ

 

　　2. 区分光源內部热阻和光源外部热阻的意义

 

　　对系统而言， LED热阻包括：光源內部热阻和光源外部热阻见图1。

 

　　光源內部热阻

 

　　光源內部热阻也称封装热阻，包括：

 

　　（1）LED芯片材料自身的热阻，RL1。

 

　　（2）芯片和基板(热沉)粘接热阻，RL2。

 

　　（3）基板传导热阻RL3 ，

 

　　（4）灌封胶体热阻，RL4。

 

　　（5）透镜热阻，RL5。

 

　　光源外部热阻包括：

 

　　（1）热沉下层的导热硅胶热阻，RO1。

 

　　（2）覆铜板热阻，RO2。

 

　　（3）覆铜板与铝基板之间的绝缘薄膜热阻，RO3。

 

　　（4）铝基板热阻，RO4。

 

　　（5）铝基板与散热器之间的导热硅胶产生热阻，RO5。

 

　　（6）散热器热阻，RO6。

 

　　应用中光源内部热阻即封装热阻，它关系到光衰和寿命是衡量光源品质的重要指标，对灯具用户来说是无法改变的，亦即系统设计无计可施。系统光效与系统热阻成反比，热阻越低，光效越高。

 

　　3, 用稳态光效和瞬态光效之比来衡量系统的光热特性

 

　　目前LED光源热阻测量国家尚未出台标准，通常依照普通半导体器件的热阻测量方法采用电压测量法，先测出K值，再计算岀某位置到PN结的热阻。还有光谱法、光热阻扫描法及光功率法。由于测量程序复杂，难以规范，因此仍然应用不广。人们从传热学引入LED“热阻”一词无非是希望能通过测量找出光源和灯具每个节点温升状况，以便将光源温度工作设计在安全范围内,减少LED光衰。其实，测试结温及计算热阻目的意义仅在于对比系统传热性能，以便优化散热/成本比，这无需拐弯抹角去反复测量和计算，操作复杂还不够准确。本人建议只要在LED灯具系统中测量各级传热通路的温度差即可表现出来的它们之间热阻大小，亦即用“节点温差”去理解“热阻”。笔者建议用稳态光效和瞬态光效之比来衡量系统的光热特性。测量方法：首先测量岀瞬态光效。当系统工作进入热稳定之后，光源温度不再上升、光强不再下降而相对稳定之后测出稳态光效，用稳态光效除以瞬态光效即是稳态光效和瞬态光效之比，根据热阻与光效成反比的关系，其比值大小即可看出不同灯具的系统光效或热阻的高低好坏，注意通常测量要排除电源影响。比如：两个不同的路灯A和B，分别测出它们瞬态光效和稳态光效之比，A=95%，B=90% ,即可认定A好于B 这种测试方法简单易操作，笔者建议经过大家讨论和完善将该测量方法推荐行业测量规范和技术标准中。

 

　　三、LED光衰

 

　　1, LED光衰：LED光衰是指LED经过一段时间的点亮之后，其光强比初始光强会降低，且不能恢复，即降低的部分称为LED的光衰。目前我国尚未制定LED光衰的定义及通用标准。 GB/T 24823-2009要求LED模块性能要求规定的光通维持率是在燃点3000h时，其光通维持率应不低于92%仅试用室内灯具的某个产品，业界普遍呼吁国家尽快制定LED光衰标准。

 

　　2, LED光衰是光源部件超过耐温极限不可逆的损伤现象

 

　　众所周知，LED工作之后其光强会着芯片结温升高而下降，光效随之降低，这是半导体随温度变化的固有的物理特性，只要光源某个部件不超过温度极限而损伤， LED停止之后温度降到原始値,其光强还会恢复如初，也就是说LED不管工作多久、反复多次只要初始光强不变就不能认为光衰，光衰是指光源因长时间工作温度超过极限値而光强恢复不到初始値称为光衰，亦即光通量下降不可逆转才是真正意义的光衰。LED光衰是光源部件超过耐温极限不可逆的损伤现象。

 

　　3,目前所有芯片厂和封装厂所标称的光效都是瞬态光效

　　有人认为美国CREE公司公布的LED芯片结温和之间的关系曲线是LEF光衰曲线,不少人将它视为LED芯片光衰曲线，以至封装厂也将它搜搬抄到出厂规格书中，这是错误的。

　　上图CREE所公示温度与光通量/光功率关系曲线是基于向用户表达在设计使用中不要让芯片超过一定结温范围，以保障在额定光功率下导致光通量下降或产生光衰。笔者认为这组曲线不是LED芯片光衰的因果关系，它应该是LED光源的光通量和温度有关的多种元件综合曲线。很多人认为这组曲线是单纯芯片光衰原因，并不包括荧光粉、粘胶、支架以及与温度有关的系统部件影响，这是认识误区。LED光源无论是Ta=25度还是在Ta=85℃温度下测试，都是光源系统在某个特定温度下的稳态测量值 ,由于稳态光效受温度诸多变量关系影响，测试复杂不够准确，而且时间较长，所以目前所有芯片厂和封装厂对外标称的光效都是瞬态光效,下游用户验收也是如此。世界上无论哪个公司对外公布产品性能指标必须有可操作性和可重复性，也就是说客户购买你的产品对其规格无法或难以检验，则无法通行。一些国外厂商有意夸大光效超过传统值数倍是没有任何实用意义的，因为LED光效与光衰不是由LED芯片单一因素造成，它与系统热阻诸多条件有关，拿试验室光效说事只有宣传意义没有任何实用意义，某公司如推出303LM/W产品而闭门不推向市场，业界无法理解和认同。再说决定LED光效芯片不是唯一原因，也不是主要原因，用户一味追求某品牌而不重视系统设计是认识误区，会劳而无功、事倍功半。

 

　　讨论LED光效、LED热阻、LED光衰这几个广为流行的专业词语，区分瞬态光效和稳态光效的意义，是为了进一步揭示LED光衰原因，找出解决对策。同时对规范LED技术用语定义和建立相关技术标准无疑也大有裨益。

四、 LED光衰原因

 

　　1,LED光衰是光源材料损伤而引起的不可逆转的衰减失效现象

 

　　LED光衰是指LED经过一段时间的点亮后，其光强会比原来的光强要低，而低了的部分就是LED的光衰，目前我国尚未制定LED光衰标准，行业内部规定 5000H小时光通量维持率≥70%，认为失效。

 

　　2,光通量下降不等于光衰

 

　　众所周知 LED工作之后其光强会随着芯片结温升高而下降，光效随之降低，这是半导体随温度变化的固有的物理特性。只要LED光源某个部件不超过温度极限而损伤， LED停止待温度复原后其光强値还会恢复如初，也就是说LED不管工作多久，只要初始光强不变就不能认定为光衰。笔者认为，LED光衰是指LED光源因某种材料损伤不再恢复的失效现象, 亦即LED光源在所规定的时间内无损光通量(初始光强)与有损光通量(衰减不可恢复光强)之比值。

 

　　3,LED光源光衰的主要原因是胶体耐温不够

 

　　众所周知，芯片(包括荧光粉)属无机材料，实验证明芯片和荧光粉在二、三百度高温工作原则上不成问题。从光源系统讲，导致LED光衰的主要原因是胶体耐温不够，目前最好的封装胶耐温仅一百多度，测试证明一个50W的集成光源在足够大的散热器工作时胶体温度往往高达200多度，无论是灌封胶还是PPA在长时期高温运行必然会造成胶体龟裂、碳化，与芯片分离进而造成光衰。

 

　　从灯具系统讲导致LED光衰与系统热阻有关，包括散热通道、散热材料、散热方式、及与温度有关的部件等等。

 

　　LED光源的光衰是由支架结构、芯片、荧光粉品质、胶体耐温性能、封装工艺厂等条件决定，这些条件都由封装厂选定，而首选是封装支架和胶体的耐侯性。从某种意义讲，LED封装的核心技术应该是封装支架研发和制造技术，它决定LED光源的用途、功能及性价比。

 

　　五、提高LED光源的耐温特性可减少LED光衰

 

　　1. 为何要提高LED光源的耐温度特性

 

　　众所周知LED属于半导体低温发热器件，低温热源在自然散热条件下散热效率很低，LED因为热源通过对流和辐射将热量传到空气中，如果LED散热器温度与环境温度相差很小，再加大散热器面积其散热量变化甚微。理论研究表明，辐射散热量与温度的4次方成正比：Q= εσ S(T w 4 －T0 4 )，温差越大热量散发越多。亦即在相同环境温度下散热器温度越高、所散发的热量越多。因此适当提高散热器的工作温度，控制在LED光源长时工作后稳态光效无大变化而不发生光衰为原则。这种提高LED光源耐高温的设计思路，不仅仅是基于平衡散热与成本考量，更主要是让LED光源在较高温度下安全工作而不发生光衰。这样不仅可减少散热器用量和成本，而且还可加大芯片的工作电流的承载能力，同时达到减少LED光衰延长使用寿命目的，是一举多得的设计革命。

 

　　2. 如何让LED光源耐受高温

 

　　自从LED问世以来，业界付出了巨大投资去研究LED光衰。LED散热牵动着每个从事LED人的神经，想尽了很多办法，其中：

 

　　*倒装技术：   倒装芯片技术早在10年前国外大公司投巨资研究，旨在免用衬底胶晶粒直焊技术，不仅免除了正倒装芯片在表面打线致命伤，还可通过直焊技术有效降低封装热阻，让光源耐受高温,业界普遍认为是LED封装的前沿技术。但是人们要问：经过这多年研究实验，为何倒装技术迟迟不能取代正装芯片技术而成为主流？其根本原因是：倒装早期工艺不仅依赖陶瓷基板，还要依赖铝 (铜)基板，由于（两次）过锡焊要经受280度高温，会对材料和部件造成损伤。陶瓷基板和金属基板相比反光率不高，瞬态光效难以提高，陶瓷基板的导热率和芯片接触面积有限也决定了稳态光效难以提高。加工成型和安装都不如金属基板简单方便，倒装工艺两次过锡焊和陶瓷基板 +铝基板双重热阻足以将上述优势抵消怠尽。另外，倒装工艺的热压焊、回流焊等设备价格贵，且不成熟，考验倒装技术未来前途还是LM\元值，亦即光效第一，价格为王。所以造成了小厂观望，大厂产品推广困难尴尬局面。倒装芯片技术未来发展方向一是与镜面铝COM联姻，二是与荧光薄膜嫁接。

 

　　*,荧光粉远离芯片技术

 

　　荧光粉与灌封胶将芯片紧紧包裹，严重影响散热。让荧光粉远离芯片，可以降低光源封装热阻。国际上荧光粉与芯片分离技术专利多达两三百项，但至今市场尚未见到这类产品成功问世，原因是该技术的难点在于荧光粉远离芯片后如何改变层间介质折光匹配，以及芯片与金线裸露如何得到防护也是该技术难点。目前有些厂用荧光薄膜在小量功率光源实验，但制造工艺及材料耐侯性尚未成熟，荧光粉远离芯片技术不仅可以降低光源封装热阻，更重要的是可革除封装厂中的混胶、抽真空、烘烤等繁杂工艺。一旦突破无疑将是一场改变封装格局的技术革命。

 

　　*, 液冷散热技术

 

　　将芯片浸入冷却液的散热方法，是让LED浸泡在透光导热的液体之中。由于液体的热流交换将热能快速传递和耗散。只要芯片与导热液存在温差，其热流交换永不停止。它可有大大降低封装热阻，是非常好的设计思路。国内外不少专家提出这种方法，专利不计其数。但实际设计中，在一狭小封装空间注入液体冷却，并经受高低温反复变化而不会漏液，其结构设计难度很大。

 

　　*.采用集成(COB) 封装，相对多颗小功率阵列来说，因为光强与散热并联，可增加光强/热阻比。

 

　　*.革去衬底胶、革去灌封胶，革去围坝胶高温易损材料，提高光源耐温特性。

 

　　*.减少光路全反射，优化出光角度，提高LED光源岀光效率，減少系统发热。

 

　　*.革去铝基板，可提高稳态光效与瞬态光效比。

 

　　*.减少透镜配光损耗。

 

　　*.减少防护构件的挡光损耗。

 

　　LED属于半导体低温发热器件，低温热源在自然散热条件下散热效率很低,在相同环境温度下温差越大热量散发越多。散热器温度越高、所散发的热量越多。因此适当提高热器的工作温度，控制在LED光源长时工作后不发生光衰为原则。可有效减少LED光衰。这种设计思路，这样不仅可减少散热器用量和成本，而且还可加大芯片的工作电流的承载能力，同时达到减少LED光衰延长使用寿命目的，是一举多得的设计革命。

第三章

一、倒装芯片无封装技术

近来，倒装芯片、无封装技术在业界引起广泛热议，因为传统正装工艺遇到散热、光衰等技瓶颈 。 倒装芯片、无封装技术早在10年前国外各大公司投巨资研究，旨在免用衬底胶、晶粒直焊技术，不仅可以有效降低封装热阻，还彻底免除了正装芯片在表面打线诸多弊端，让光源耐受高温、延长LED使用寿命。业界普遍认为这绝对是封装领域的前沿技术。但是人们要问：经过这多年研究实验，为何倒装技术迟迟不能取代正装芯片技术而成为主流？其根本原因是：倒装工艺不仅依赖陶瓷基板，还要依赖铝 (铜)基板，陶瓷基板加工成型和安装却都不如金属基板简单方便，由于（两次）过锡焊要经受280度高温，难免对材料和部件造成损伤。陶瓷基板和金属基板相比反光率不高，瞬态光效难以提高，陶瓷基板的导热率和芯片接触面积有限也限制了其稳态光效难以提高。倒装工艺两次过锡焊和陶瓷基板 +铝基板双重热阻足以将上述优势抵消怠尽。另外，倒装工艺的热压焊、回流焊等设备要求极高，良率不稳。从终端用户的角度分析，一款好的LED器应具有更佳照明品质，更高照明性能、更低系统成本以及更快的投资回报。考验倒装技术未来前途还是（LM\元）值。品质第一，价格为王，所以造成了用户观望，产品推广困难的尴尬局面。

二、集成COB封装技术

从某种意义讲，LED封装核心技术应该是封装支架研发和制造技术，它决定LED光源的用途、功能及性价比。有实力的公司都在努力寻求利用封装支架解决LED的散热、光效、寿命、成本这一课题。

COB封装与单芯片封装相比在光强、散热、配光、成本等方面显露出许多优点，被越来越多的人认为是未来LED发展方向。目前传统的COB光源是支架是用铝(或铜)基板将FR4纤维板经过压合工艺成为一体。国产 FR-4 半固化片,导热系数仅为0.3/m-K，进口最好的只有2.0 /m-K左右，而纯铝导热系数为237 /m-K, 两者相差一百多倍，如此大的热耗比，必然增大系统热阻，造成严重的LED光衰，降低使用寿命，于是人们绞尽脑汁设法革除铝基板这层绝缘纤维，然至今尚无找到有效方法，如一些大公司设计了所谓“LMCOB支架”(在铝基板挖凹去掉铜皮和绝缘层) ，然而限于设备、凝胶、工艺及成本等原因，尚未推广普及。还有，目前市场广为流行所谓“集成光源”支架，采用注塑料工艺将电极板镶嵌在PPA(或目前正在推崇的EMC)塑料之中，由于PPA在高温和紫外线照射下会变黄粉化，造成透气进水，产品失效率很高，这种结构因电极板高于芯片1.5mm，其荧光粉和凝胶用量很大, 不仅会增加封装成本，胶体过厚也会影响透光，还会硬化龟裂拉断金线。目前所有COB支架毫无例外都要设围坝结构，以阻挡荧光混合胶不使其外溢, 由于围坝胶和表层白油吸光，不能实现光源镜面光反射，以上多种原因都会影响出光强度和传热受阻，这是造成传统COB光源的瞬态光效和稳态光效难以提高的主要原因。

三、驱动电源技术

1.集成光源基板和铝基板完全没必要做到3750V耐压

在LED系统设计中，最常见的问题是如何选择驱动电源，而实际上LED失效或损坏，驱动电源占据相当高的比例，驱动电源的可靠性及寿命成了LED照明技术短板。

LED照明属通用电子产品必须要通过国家相应的安全标准，即LED灯具外壳与人体接触不会构成触电危险。一般而言LED驱动有非隔离设计和隔离型；非隔离电源使用较少的元器件并拥有较高的效率，但限于外壳绝缘产品中使用，例如LED灯泡，其中LED和驱动器都集成并密封在绝缘塑料中，以便让最终用户没有触电的危险。隔离LED驱动电源带有隔离变压器，意味着高电压与次级的LED相互隔离，可以用手直接接触而不会触电。与非隔离电源相比隔离电源体积较大、效率较低、成本较高。

不少人(包括专家教授)认为LED光源(引脚)对地耐压应大于安规电压(3750V) 亦即铝基板和陶瓷基板对散热器耐压必须达到安规要求，其实这是认识误区, 缺乏电学识，实验测试表明LED芯片衬底通过银胶固封后其电极对地(基板)击穿电压只有300V左右，LED芯片衬底耐压远远达不到安规要求，这种情况必须使用隔离电源。既然使用隔离电源铝基板完全没必要做到3750V耐压，更没有必要留出所谓 “爬电距离” 。作为最终用户无论采用非隔离电源或隔离电源都完全没有必要要求铝基板达到3750V绝缘耐压，因为非隔离电源的输入端与负载是等电位，更没必要要求铝基板通过安规电压压，铝基板耐压越高其层间绝缘越厚,成本越高、热阻越大。实践证明，目前COB铝基板大多采用热电分离封装结构，(芯片直接邦定到基板上) 已经得到广泛应用，市场到处都有，足以证明这一理论分析实用可行。

2、LED驱动电源可否用液冷技术解决这块短板

LED寿命可达数万小时，然而目前与之相配套的驱动电源尚不能满足这个要求。在LED照明产品中，失效是一个常见现象，大多数是因为电源的失效，由于许多LED照明应用电源封闭在一个很小的空间里，通风散热成为主要技术瓶颈，如果没有仔细的热设计，LED和电源驱动电路很容易因为高温而退化或永久失效。导致LED驱动电路寿命达不到要求的关键元件是电解电容器，目前国内大多数电解电容器制造的电解电容器规定寿命一般为105℃/2000小时，这就是说在105℃的温度条件下的使用寿命只有84天，即使降低到85℃，使用寿命也仅仅为332天，还不到一年！远不能满足LED驱动要求，为何电解电容器有耐温局限？其原因是电解电容的电解液需要“水合”工艺制造，铝电解电容器为了实现极低的ESR，最简单的办法就是提高电解液的含水率，水的沸点约100度，含水率高导致电解液在高温下蒸发"干枯"而失效。电容器制造商绞尽脑汁抑制高含水率电解液的“水合”反应，电源生产商也曾用灌胶密闭工艺来解决电容器失效，然仍不彻底。

  笔者将驱动电源浸泡在密闭散热器腔内冷却液中实验, 由于密闭腔内电解电容体内外压力差很小，不仅减小了电解电容的爆炸，也避免了蒸发"干枯"。由于免去灌注粘胶，还避免粘胶应力对元器件的拉伤、不易维护等弊端。密闭结构可提高防水等级(最高可达IP68)有效地延长了电源使用寿命。

 

半导体照明是一场技术革命，新技术问世它始终需要一个过渡，必然经历长期改革，从产业链看主要是LED芯片技术、封装技术、电源技术等都存在诸多技术难题，有些难题解决尚需时日，如材料、设备及配套技术。有些难题简单而无人问津，如铝基板耐压问题还被外行忽悠。仅管如此LED快速发展取代传统照明已成必然，人们对LED未来有更高的期盼：将芯片封装到如同集成电路、无打线、无散热器、无驱动电源、长寿命、低成本目标定会实现。