基于光纖耦合的LED冷光源研究

徐彭飛，廖 智，趙 國，楊 萍，趙建明

(1.電子科技大學 微電子與固體電子學院，四川 成都 610054；2.四川藍彩電子科技有限公司，四川 遂寧 629000；3.四川綠然電子科技發展有限公司,四川 射洪 629200)

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基于光纖耦合的LED冷光源研究

徐彭飛1，廖 智2，趙 國3，楊 萍1，趙建明1

(1.電子科技大學 微電子與固體電子學院，四川 成都 610054；2.四川藍彩電子科技有限公司，四川 遂寧 629000；3.四川綠然電子科技發展有限公司,四川 射洪 629200)

為了解決大功率LED芯片散熱問題帶來的LED光源壽命縮短、LED光衰以及散熱與LED光源體積要求之間的矛盾，分析了影響大功率白光LED壽命及失效的因素、當前LED封裝形式以及光纖導光的優點，提出一種基于光纖耦合的LED冷光源，采用光纖耦合的方式把LED模組中LED芯片發出的藍光經光纖傳導至另一端，透過含有熒光粉的透光層后發出高亮度的白光，實現了LED芯片與熒光粉的隔離，不僅能避免傳統一體化的LED因高溫導致LED光衰、發光效率低、壽命縮短，而且能大大縮小LED光源的體積，促使LED向汽車照明等大功率照明領域發展。

白光LED；光纖耦合；光衰；大功率；失效

引言

LED光源具有功耗低、可控性強、壽命長等特點，廣泛應用于現代照明領域中[1-2]，已成為世界各國照明產品發展的方向。隨著半導體產業的不斷發展和工藝技術的改進，LED正向大功率照明如汽車照明等領域邁進。LED在汽車照明應用中除了作為內飾裝飾燈外，最重要的應用是包括轉向燈、車內閱讀燈、汽車大燈以及第三剎車燈等在內的汽車車燈[3]。

目前市場上大多數白光LED燈均采用藍光LED芯片照射黃色熒光粉得到，LED芯片與熒光粉封裝以在一起的方式進行生產[4-5]。當利用LED燈作為發光源進行工作時，LED芯片會產生大量的熱量，如果產生的熱量不能很好的散去，會使環氧樹脂和熒光粉焦化，導致LED燈亮度減小，縮短LED燈的使用壽命[6]。LED芯片的功率越大，所產生的熱量也越多，因此需要較大體積的散熱裝置進行散熱處理，而散熱裝置的體積越大也就導致LED光源最終的體積變大，使LED照明在很多領域的應用受到很大的限制。此外，即使有散熱裝置，對熒光粉的影響仍然較大，LED燈的使用壽命也沒有明顯改善。因此，LED燈內散熱性能的缺陷，導致LED光源的發展受到很大的限制。

為了解決大功率LED芯片熱問題帶來的一系列影響，本文提出一種基于光纖耦合的LED冷光源，采用光纖耦合的方式把LED模組中LED芯片發出的藍光經光纖傳導至另一端，透過含有熒光粉的透光層后發出高亮度的白光，實現了LED芯片與熒光粉的隔離，不僅能避免一體化LED因高溫導致LED光衰、發光效率低、壽命縮短，而且能大大縮小LED光源的體積。

1 影響LED光源壽命及失效的因素

影響LED光源壽命及失效的因素很多，大致可分為來自LED外部驅動電路和LED自身內部因素兩種，而影響壽命及失效的LED內部因素又主要由LED芯片失效以及熒光粉和封裝材料的退化引起。

與傳統光源一樣，LED在工作時也會產生大量的熱量。LED在外加電場作用下，電子與空穴大量復合，除了一小部分以光能的形式釋放外，其他大部分能量以非輻射的形式釋放，造成半導體晶格的振動，并產生熱量，造成LED結溫的升高。隨著LED芯片結溫的升高，PN結內部的電子和空穴濃度、禁帶寬度及電子遷移率等微觀參數都會發生變化，從而影響LED的光電參數[7]。如圖1所示，隨著LED結溫的升高，其相對光通輸出量線性降低，以受結溫影響最小的藍光為例，當結溫從0℃到120℃變化時，藍光LED相對光通輸出量從105%下降到100%。當LED芯片的溫度超過其最高結溫時，將導致LED芯片損壞而失效。

圖1 不同光色LED的相對光通輸出隨結溫變化的示意圖Fig.1 Schematic diagram:relative luminous flux output of different color LED along with junction temperature change

大功率白光LED通常采用藍光LED芯片與含有YAG熒光粉的環氧樹脂一起封裝在鋁基板上而制得，當散熱不足時，熒光粉和環氧樹脂容易受高溫而焦化。熒光粉老化將導致其量子效率降低，由熒光粉轉化的黃光成分減少，最終導致白光LED的光輸出量減小和顏色漂移[8]。

外封膠環氧樹脂的老化同樣也是造成LED光衰的因素，高溫造成環氧樹脂變黃會使得其對光的透射率下降，即褐化現象，進而造成LED的出光量降低[9]。當LED芯片溫度過高時，封裝所用的環氧樹脂的溫度與芯片的結溫接近時，環氧樹脂的熱膨脹系數會發生劇烈變化，此時產生的內部應力和水分的蒸汽壓力很可能大于封裝樹脂與芯片、固晶膠以及框架表面之間的粘接力，以致它們的界面之間出現剝離現象，嚴重時還會導致封裝樹脂或芯片出現裂紋[10-11]。

LED芯片產生的高溫不僅導致了自身的光衰及熒光粉和外封膠的退化，而且對LED壽命影響極大，如圖2所示，LED的光衰和壽命是和它的結溫密切相關，結溫越高越早出現光衰，壽命也越短。結溫為105℃，亮度降至70%的壽命只有一萬多小時，95℃有2萬小時，而結溫降低到75℃，壽命有5萬小時，65℃時壽命可達到9萬小時。因此延長LED壽命、提高其發光效率的關鍵就是要有效降低結溫。

圖2 Cree公司的LED的光衰曲線Fig.2 Curve: LED light failure of Cree company

2 基于光纖耦合的LED冷光源原理

基于光纖耦合的LED冷光源的出發點就是解決結溫造成的熒光粉和封裝材料的退化導致的LED光衰和壽命衰減，以及有效散熱所需散熱器體積與所需光源體積之間的矛盾。如圖3所示，把藍光LED芯片用外封膠封裝在鋁基板上并引出兩個金屬電極，從而形成藍光LED光源。藍光LED芯片產生的熱量通過鋁基板以及夾在鋁基板上的散熱片散到空氣中，合理設置散熱片能夠有效減小LED芯片光衰。

圖3 光纖耦合的LED冷光源示意圖Fig.3 Schematic diagram:LED cold light source of optical fiber coupling

光纖是一種非常理想的光傳導介質。光纖不僅傳導光性能好，而且質地柔軟，能夠彎曲而不至于斷裂且便于安置。把光纖的一端入口正對LED芯片固定在鋁基板上，使藍光LED芯片發出的藍光完全耦合到光纖線路里傳導至另一端，光纖線路既可采用單根粗光纖，也可采用多根細光纖組成的光纖束，在光纖的另一端敷上含有YAG熒光粉的環氧樹脂或者硅脂膠，環氧樹脂或者硅脂膠固化后成為光學透鏡，從光纖里傳導的藍光透過固化后的環氧樹脂或者硅脂膠激發融合其內的熒光粉發出高亮度的白光。通過采用光纖隔離的方式使熒光粉和封裝膠與LED芯片分離，由此能避免LED芯片產生的高溫導致熒光粉和封裝膠的退化而造成LED光衰和壽命縮短。經光纖耦合而形成的白光冷光源體積小、亮度高、功率大并且可視為點光源，便于在汽車大燈等領域的安裝與使用。

由于光纖耦合的LED冷光源的實際使用光源與LED發光模組隔離，能夠分別安裝LED發光模組和使用光源，合理利用空間，能夠解決散熱器體積大造成最終光源體積大而限制LED照明在一些領域的應用，并且在實際應用中可以根據應用場合的需要來選光源的形狀。圖4為制作不同光纖截面而得到的四種LED光源：平面光源、球面光源、斜面光源，由此能滿足不同場合使用的要求，提高LED照明應用的靈活性。

圖4 不同光纖截面的LED光源Fig.4 LED light source of different fiber cross section

3 結論

本文通過分析影響大功率白光LED壽命及失效的因素，針對影響其壽命和失效的主要原因——LED芯片光衰和熒光粉及外封膠退化，提出一種行之有效的方法來解決，即采用一種基于光纖耦合的LED冷光源，通過光纖耦合的方式把LED模組中LED芯片發出的藍光經光纖傳導至另一端，透過含有熒光粉的透光層后發出高亮度的白光，實現了LED芯片與熒光粉的隔離，不僅能避免傳統一體化的LED因高溫導致LED光衰、發光效率低、壽命縮短，而且能大大縮小LED光源的體積，提高其應用的靈活性，促使LED向汽車照明等大功率照明領域發展。

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Study on LED Cold Light Source Based on The Optical Fiber Coupling

Xu Pengfei1, Liao Zhi2,Zhao Guo3, Yang Ping1, Zhao Jianming1

(1.SchoolofMicroelectronicsandSolid-StateElectronics,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina，Chengdu610054,China; 2.SichuanbluecolorElectronicTechnologyCo.Ltd.，Suining629000,China;3.SichuangreennaturalDsytechnologyCo.Ltd.，Shehong629200,China)

This paper aims to solve the high power LED chip thermal dissipation which could lead to LED short life span, light failure and the contradiction between the heat dissipation and LED light source volume requirements. It analyzes the factors that affect the life span and light failure of the high power white LED, as well as the current LED packaging form and the advantages of fiber optic light. It proposes a LED cold light source based on optical fiber coupling. With the method of optical fiber coupling, the blue light transmits through the optical fiber to the other end, transforms into high brightness white light by passing through the euphotic layer containing phosphors. The segregation between LED chip and phosphor, can not only avoid LED light failure, low luminous efficiency and short life of the integration of the traditional LED caused by high temperature, but also greatly reduce the volume of the LED light source, which will prompt the development of LED to high power lighting field such as the car lighting.

white LED; fiber coupled; lumens depreciation; high power; failure

四川省2012年科技支撐計劃

TN312.8

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.016