基于不同散熱模式LED的光電熱特性研究

劉沛 柴廣躍 郭倫春 夏鼎智 羅強(qiáng)

(1.深圳大學(xué)光電子學(xué)研究所封裝實(shí)驗(yàn)室，深圳 518000;2.深圳市九洲光電科技有限公司，深圳 518000)

1 引言

與傳統(tǒng)光源相比，LED光源具有效率高、光色純、能耗低、壽命長(zhǎng)，可靠耐用、應(yīng)用靈活、無污染等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于道路照明、家用照明、汽車燈照明、景觀照明等領(lǐng)域［1］。然而良好的散熱特性是發(fā)揮LED優(yōu)異性能和穩(wěn)定可靠性的根本保證。溫度對(duì)LED性能產(chǎn)生重要的影響，如色溫改變、波長(zhǎng)紅移、效率下降、正向壓降減少等，因此，熱管理對(duì)LED的性能、光電轉(zhuǎn)換效率以及應(yīng)用產(chǎn)生重要的影響［2］。本文主要研究新型垂直散熱模式LED在光電熱特性方面的潛在優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)水平散熱模式LED相比，垂直散熱結(jié)構(gòu)LED具有亮度高、散熱快、光衰小、成本低、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，是目前中小功率LED中應(yīng)用照明光源的發(fā)展趨勢(shì)。

2 垂直與水平散熱模式結(jié)構(gòu)對(duì)比

在本文兩種不同散熱模式LED特性分析中，新型垂直散熱模式LED選用目前市場(chǎng)及應(yīng)用熱門的3014LED為例，傳統(tǒng)水平散熱模式則選用常用的3528LED為例，以做對(duì)比分析。

圖1和圖2分別為垂直散熱與水平散熱LED的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3所示為兩種LED的散熱方式示意圖。

從圖1、圖2的結(jié)構(gòu)圖中可以看出，3528LED在結(jié)構(gòu)是通過焊接兩端電極的焊腳進(jìn)行散熱，散熱方式為水平散熱。3014LED在結(jié)構(gòu)上是通過底板散熱通道進(jìn)行散熱，散熱方式主要為垂直散熱。圖3更清楚的表達(dá)了兩種不同結(jié)構(gòu)LED的散熱模式。

圖1 垂直散熱模式結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 水平散熱模式結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 水平與垂直散熱方式示意圖

3 LED燈珠的熱學(xué)特性模擬

為了更好的研究對(duì)比分析不同散熱結(jié)構(gòu)LED的散熱情況，我們使用了ANASYS有限元分析模擬軟件進(jìn)行建模及熱學(xué)模擬分析。

模擬模型參數(shù)設(shè)置如下:芯片功率為0.06W，固晶膠KER－3200－TI厚度為0.01mm，驅(qū)動(dòng)電流為20mA。

分兩種散熱條件模擬:

(1)底板散熱器溫度恒定為60℃;

(2)底板散熱器為理想對(duì)流熱輻射條件。

(1)底板散熱器溫度恒定為60℃:水平散熱結(jié)構(gòu)LED及垂直散熱結(jié)構(gòu)LED的熱分布分別如圖4、圖5所示。

表1 散熱模擬溫度數(shù)據(jù)

圖4 水平散熱結(jié)構(gòu)LED熱模擬溫度分布圖

圖5 垂直散熱結(jié)構(gòu)LED熱模擬溫度分布圖

由圖4、圖5及表1可以看出，當(dāng)同時(shí)控制基底溫度為60℃和LED工作電流為20mA時(shí)，雖然垂直散熱模式LED的芯片溫度要略高，這是因?yàn)樗x用的3014LED模型的體積及散熱面積均遠(yuǎn)小于3528 LED，熱量過于集中所造成。但垂直散熱模式的溫差較小，其熱阻117 mm2℃/W也遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)水平散熱156 mm2℃/W，均表明垂直散熱模式的散熱效率優(yōu)于水平散熱模式。

(2)底板散熱器為理想對(duì)流熱輻射條件:此次模擬在模型中加入相同尺寸的鋁板散熱器，不限定其溫度，只設(shè)定驅(qū)動(dòng)電流為20mA，與現(xiàn)實(shí)使用情況相符。水平散熱LED及垂直散熱LED的熱分布分別如圖6、圖7所示。

圖6 水平散熱結(jié)構(gòu)LED熱模擬溫度分布圖

表2 LED散熱模擬溫度數(shù)據(jù)

由圖6、圖7及表2可看出，垂直散熱模式LED的芯片溫度、負(fù)極溫度、溫差、熱阻等各項(xiàng)參數(shù)均遠(yuǎn)小于水平散熱燈珠，這表明垂直散熱模式能把積聚在內(nèi)部芯片的熱量及時(shí)散去。此模擬結(jié)果表明了在不設(shè)定任何溫度限制即更接近于客觀事實(shí)的情況下垂直散熱模式具有更高散熱效率的優(yōu)勢(shì)。

圖7 垂直散熱結(jié)構(gòu)LED熱模擬溫度分布圖

因一般3014LED在使用過程中一般多用25mA或者30mA電流驅(qū)動(dòng)，所以對(duì)25mA驅(qū)動(dòng)的3014LED進(jìn)行了熱模擬分析。模擬參數(shù)設(shè)置條件如下:功率設(shè)為0.072W，固晶膠厚度設(shè)為0.01mm，正向電流IF設(shè)為25mA，相同尺寸鋁制散熱器，不限定溫度。

此種情況的熱分布分別如圖8所示。表3為此次熱模擬分析的結(jié)果。與垂直散熱LED在20mA驅(qū)動(dòng)時(shí)散熱情況相比，其芯片和負(fù)極的溫度大幅度降低，表明垂直散熱LED在大電流驅(qū)動(dòng)時(shí)突顯出更優(yōu)的散熱效果。

圖8 垂直散熱結(jié)構(gòu)LED熱模擬溫度分布圖

表3 垂直散熱結(jié)構(gòu)LED熱模擬結(jié)果 (25mA)

對(duì)比表2和表3即如表4所示，通過分析，3014LED即使在25mA驅(qū)動(dòng)下，其芯片、負(fù)極溫度、溫差與20mA驅(qū)動(dòng)的3528LED相當(dāng)，而其熱阻130 mm2℃/W遠(yuǎn)低于20mA驅(qū)動(dòng)的3528LED。結(jié)果表明即使大電流驅(qū)動(dòng)垂直模式LED，其散熱效果依然優(yōu)于小電流驅(qū)動(dòng)的水平散熱模式LED。此外，良好的散熱優(yōu)勢(shì)使得垂直模式LED在大電流驅(qū)動(dòng)下獲得更高的光通量。在照明應(yīng)用中小功率LED加大電流提高光通量從而可降低成本。垂直模式LED散熱效率高、光通量高、成本低的優(yōu)勢(shì)是成為照明應(yīng)用光源趨勢(shì)的主要因素。

表4 3014LED(25mA)與3528LED(20mA)的熱模擬對(duì)比

4 封裝試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比

4.1 兩種不同散熱結(jié)構(gòu)LED的封裝

為了保證可對(duì)比性，采用相同的物料 (相同的芯片、固晶膠、金線、硅膠、熒光粉)分別對(duì)3528 LED及3014LED進(jìn)行封裝，制作色溫、色坐標(biāo)相近的LED燈珠，以便更好的進(jìn)行亮度、光衰及色坐標(biāo)等光學(xué)特性的比較分析。

4.2 初始參數(shù)測(cè)試對(duì)比

隨機(jī)選取3014LED和3528LED各20個(gè)，其光通量和色溫如圖9、圖10所示，橫坐標(biāo)表示LED個(gè)數(shù)，縱坐標(biāo)表示光通量和相關(guān)色溫CCT。

圖9 光通量比較圖

初始參數(shù)測(cè)試結(jié)果表明，在20mA電流驅(qū)動(dòng)下，3014LED的光通量比3528高，且其相關(guān)色溫CCT集中度比3528LED好。另3014一般在30mA電流下驅(qū)動(dòng)使用，其光通量達(dá)到10～11Lm;如上節(jié)熱模擬所示，3528LED散熱效果遠(yuǎn)不如3014LED，故其在大電流驅(qū)動(dòng)下，光通量必定會(huì)嚴(yán)重受到過高熱量的影響。因此相比水平散熱LED，垂直散熱LED具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

圖10 色溫比較圖

4.3 光衰試驗(yàn)對(duì)比分析

隨機(jī)抽取3528LED和3014LED各30pcs，按驅(qū)動(dòng)電流20mA、25mA、30mA各分為三組進(jìn)行1008H的光衰實(shí)驗(yàn)，以比較分析兩種不同散熱模式LED的光衰和色坐標(biāo)漂移程度，從而研究散熱對(duì)其光色特性的影響。

圖11 LED光衰圖

從光衰圖曲線可以明顯看出，在1008H的老化過程中，水平散熱LED在20mA驅(qū)動(dòng)時(shí)，其亮度并未隨時(shí)間衰減;但是在25mA及30mA驅(qū)動(dòng)時(shí)，特別是30mA，其亮度有明顯的衰減。這表明過高的熱量對(duì)亮度產(chǎn)生了很大的影響。相比水平散熱LED，垂直散熱LED的優(yōu)勢(shì)及穩(wěn)定性顯而易見。不管在大電流或小電流驅(qū)動(dòng)，垂直散熱LED經(jīng)過1008H老化，亮度反而增高，并未有衰減趨勢(shì)。

此外，水平散熱LED的光衰隨驅(qū)動(dòng)電流加大而升高加快，這表明隨著加大驅(qū)動(dòng)電流，芯片產(chǎn)生更多的熱量，水平散熱LED未能把過多的熱量散去，從而使亮度受到的更大的影響。相反，垂直散熱LED的亮度隨驅(qū)動(dòng)電流的加大而升高更多，電流越大，亮度增加的越多，光衰越慢。這表明電流越大，雖然產(chǎn)熱更多，但垂直散熱LED的散熱優(yōu)勢(shì)更加彰顯，從而降低了芯片在加大電流帶來更高熱量的影響。光衰圖明顯的顯示了兩種不同散熱模式的散熱效果的優(yōu)劣。

亮度衰減主要原因?yàn)樾酒匣^高的熱量又是芯片老化的首要原因。與水平散熱LED相比，垂直散熱LED能將芯片產(chǎn)生的熱量迅速散去，有效地將芯片性能衰減降至最低，從而保證了亮度的可靠性。

圖12 CIE-x漂移圖

圖13 CIE-y漂移圖

圖12和圖13分別表示了兩種散熱模式LED的色坐標(biāo)CIE－x、CIE－y平均值隨時(shí)間的變化。整體來看，垂直散熱LED的色坐標(biāo)明顯較水平散熱LED穩(wěn)定，漂移較小。在30mA驅(qū)動(dòng)下，垂直散熱模式LED色坐標(biāo) CIE－x、CIE－y的平均值分別漂移 －0.0027、－0.0033，而水平散熱模式 LED色坐標(biāo)CIE－x、CIE－y的平均值分別漂移 －0.0210、 －0.0246，兩者差距非常明顯。色坐標(biāo)漂移主要因素是熒光粉性能老化，而過高的熱量又是導(dǎo)致熒光粉性能老化的首要原因。從而可以看出，垂直散熱模式LED可以將芯片產(chǎn)生的熱能迅速帶出，有效使得熒光粉的性能衰減至最低，從而保證LED燈珠的光色性能穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)論

本文從散熱結(jié)構(gòu)、光電參數(shù)、熱學(xué)特性、光衰、色漂移及成本等方面對(duì)垂直散熱和水平散熱LED進(jìn)行了研究分析對(duì)比，結(jié)果表明垂直散熱模式LED的光電熱特性均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于水平散熱模式LED。垂直散熱模式優(yōu)異的散熱特性，能將芯片產(chǎn)生的熱量及時(shí)導(dǎo)出，從而將芯片和熒光粉的性能衰減至最低，使得LED亮度高、散熱快、光衰小及光色漂移小，在保證燈珠的性能穩(wěn)定的同時(shí)，也提高了照明燈具整體光色一致及性能可靠穩(wěn)定性，從而成為中小功率LED照明應(yīng)用光源的發(fā)展趨勢(shì)。

［1］Dr EICHHORN K．LEDs in automotive lighting［J］．SPIE，2006，6134:1—6．

［2］Arik M． BecKer C． Weaver S， et al． Thermal management of LEDs:package to system ［C］．Proc．of SPIE，2004，5187:64－75．