柔性LED球泡燈的光熱電性能

鄭昌冉，劉全生，李艷偉，錢幸璐，鄭 飛，王 偉，王 利

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué)，吉林 長(zhǎng)春 130022；2.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)，上海 201418)

引言

發(fā)光二極管(LED)是新一代光源，將其用于照明，可以節(jié)省電力消耗[1,2]。白光LED近年來發(fā)展迅速，已廣泛應(yīng)用于信號(hào)、顯示、汽車照明、景觀照明等領(lǐng)域[3，4]。隨著白熾燈的逐步禁用，LED燈絲燈因其仿古的造型獲得一些懷舊人群的追捧[5]。市場(chǎng)上的LED燈絲通常被設(shè)計(jì)成直條狀，封裝在泡殼內(nèi)，然而這種LED硬燈絲無法設(shè)計(jì)出圓滑多變的造型或在有限的內(nèi)部空間要求更大輸入功率的燈泡，此外燈泡的功率往往會(huì)受燈絲長(zhǎng)度的限制，散熱性能也會(huì)受到影響[6]。目前，大多數(shù)光熱電性能的研究多數(shù)集中在剛性、不易彎曲的LED硬燈絲上，而有關(guān)柔性燈絲光熱電性能的報(bào)道很少。柔性LED燈絲的芯片串聯(lián)或并聯(lián)發(fā)光時(shí)，可以呈現(xiàn)出多角度、多層次立體均勻發(fā)光的特點(diǎn)，且在樣式上更受大家的喜愛，在加工工藝上更加便利。本文制備的螺旋柔性LED燈絲采用倒裝芯片，利用平面涂覆技術(shù),保持了螺旋柔性LED燈絲的色度、亮度的均勻一致性，改變了現(xiàn)有熒光粉涂層的形狀和工藝，使芯片表面的熒光粉層厚度均勻化。本文對(duì)螺旋柔性LED燈絲的加工工藝進(jìn)行研究，對(duì)燈絲的光熱性能進(jìn)行測(cè)試，從而更好地為研發(fā)和生產(chǎn)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1)樣品制備。本文提出制備的新型螺旋柔性LED球泡燈如圖1所示。通過固晶機(jī)將94顆倒裝芯片均勻地固定分布在直徑為26 mm的螺旋樹脂基板上；倒裝芯片的幾何尺寸規(guī)格為200 μm×510 μm×150 μm，芯片內(nèi)部的p-n結(jié)將一部分的電能轉(zhuǎn)化為光能。因?yàn)樾酒h(huán)繞一周均勻分布，所以燈絲的發(fā)光較為均勻。采用SY-6021硅膠A，SY-6021硅膠B，Lu3Al5O12:Ce熒光粉,粒子直徑為13 μm，發(fā)射波長(zhǎng)530 nm，(Sr,Ca)AlSiN3:Eu熒光粉B,發(fā)射波長(zhǎng)640 nm和C熒光粉(Sr,Ca)AlSiN3:Eu，發(fā)射波長(zhǎng)628 nm,質(zhì)量比分別為硅膠A∶硅膠B∶熒光粉A∶熒光粉B為52∶13∶12∶1.12。額定電壓為135 V，對(duì)螺旋樹脂基板雙面點(diǎn)膠。分別取封裝后合格的燈絲，封裝成圖1所示的燈泡。

圖1 柔性燈泡Fig.1 Flexible bulb

2)測(cè)試方法。采用遠(yuǎn)方積分球BM-7測(cè)量此螺旋柔性LED球泡燈的光通量、色溫和色坐標(biāo)，計(jì)算出光效。將螺旋柔性LED燈泡正負(fù)極用積分球中的夾具夾住，置于積分球中心。將光纖伸入積分球，固定好光纖。將恒流源與積分球連接，輸入電壓電流點(diǎn)亮LED。LED發(fā)射的光經(jīng)積分球內(nèi)部白色漫反射層,漫反射一部分光線通過積分球表面的通光孔徑光纖傳輸?shù)轿⑿投嗤ǖ拦庾V儀，光譜儀采集的數(shù)據(jù)通過USB接口發(fā)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和顯示[5]。

采用結(jié)溫測(cè)試儀LED-T300對(duì)這種柔性LED球泡燈進(jìn)行相同功率下pn結(jié)溫度測(cè)量和熱阻以及球泡燈表面溫度的測(cè)量。用紫外線照射光敏膠將熱敏電阻固定在泡殼表面中心位置。放進(jìn)結(jié)溫測(cè)試儀對(duì)應(yīng)的烤箱進(jìn)行定標(biāo)。定標(biāo)完成后將燈泡取出連接在結(jié)溫測(cè)試儀相應(yīng)位置，在相應(yīng)定標(biāo)文件下，利用恒流源輸入不同電流驅(qū)動(dòng)，測(cè)量不同功率下的結(jié)溫和熱阻變化。

為了探究燈絲發(fā)光的光分布情況，我們做了關(guān)于燈泡光分布均勻性實(shí)驗(yàn)。在黑暗的情況下，利用遠(yuǎn)方照度計(jì)BM-7對(duì)準(zhǔn)點(diǎn)亮后的燈泡，照度計(jì)鏡頭對(duì)準(zhǔn)燈泡，保持恒定的距離，以相同角度間隔均勻放置12個(gè)位置，測(cè)試記錄光強(qiáng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 光譜圖

將被測(cè)燈泡樣品放入遠(yuǎn)方積分球，點(diǎn)擊精確光譜儀開始測(cè)試，點(diǎn)亮樣品燈泡測(cè)試得到樣品的光通量、色溫和色坐標(biāo)。用獲得數(shù)據(jù)可以繪制得到該種螺旋柔性燈泡的光譜圖如圖2所示，可見隨著驅(qū)動(dòng)電流變大，藍(lán)光LED的峰值波長(zhǎng)的光譜強(qiáng)度明顯增大，半高寬增加，峰值波長(zhǎng)未發(fā)生明顯的藍(lán)移或紅移現(xiàn)象，說明這種燈泡的性能穩(wěn)定[7]。

圖2 柔性燈泡樣品的光譜圖Fig.2 The spectral diagram of the flexible bulb

2.2 發(fā)光效率的變化

連續(xù)測(cè)同類樣品5組取平均值可得到燈泡樣品的光通量隨電流變化如圖3所示。圖3說明這種柔性燈泡的光效呈現(xiàn)出隨電流先上升后下降的變化趨勢(shì)，隨著電流的增大，光效先增大，后下降，下降的斜率逐漸增大，下降速度變快。在10 mA附近時(shí)，發(fā)光效率達(dá)到最大值，電能轉(zhuǎn)化為光能的效率最大。這是一種與散熱無關(guān)的“效率驟降”現(xiàn)象，即隨著驅(qū)動(dòng)功率密度的增加，發(fā)光效率會(huì)快速衰減。

圖3 發(fā)光效率隨電流變化Fig.3 The Change of Luminescence Efficiency with Current

如表1所示，LED燈絲從瞬態(tài)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，光通量下降了7.5%，這是因?yàn)闊艚z在從瞬態(tài)到達(dá)穩(wěn)態(tài)的過程中，結(jié)溫升高,LED的電光轉(zhuǎn)換效率降低。所以，當(dāng)輸入相同的功率時(shí)產(chǎn)生的可見光的量減少，光通量也相應(yīng)減少。然而，光通量只下降了7.5%，說明在泡殼內(nèi)封入流動(dòng)性較強(qiáng)的氦氣有助于加強(qiáng)傳熱和散熱，降低結(jié)溫，減少發(fā)光效率的降低，使電能轉(zhuǎn)化為熱能的量減少。如表1所示，燈泡從瞬態(tài)到穩(wěn)態(tài)的過程中，色溫少許上升，這是因?yàn)闊晒夥鄣臒徕缧?yīng)大于芯片，熱輻射的溫度大于芯片的溫度[8]。熒光粉的吸收散射特性、粒徑分布及熒光粉涂層的形狀對(duì)LED色溫角空間分布具有直接影響[3]。

表1 光學(xué)性能數(shù)據(jù)表

2.3 色坐標(biāo)變化

圖4是燈泡的色坐標(biāo)變化圖，隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加，色坐標(biāo)幾乎沒變，色溫在2 500 K左右小幅度地變化，可以認(rèn)為驅(qū)動(dòng)電流的增加，對(duì)藍(lán)光LED的色溫沒有明顯的影響。色溫2 500 K說明該種燈泡是暖白光燈，不適合用來直接照明，適合做氣氛燈具。

圖4 色坐標(biāo)變化圖Fig.4 Change chart of Colour coordinate

2.4 光分布圖

圖5是在暗場(chǎng)條件下，用杭州遠(yuǎn)方BM-7型亮度計(jì)從-180°到+180°以相同角度間隔放置12個(gè)位置對(duì)燈絲進(jìn)行了平均測(cè)量。圖5顯示了發(fā)光強(qiáng)度L隨角度的變化。我們可以利用公式UL=Lmin/Lmax×100%計(jì)算亮度均勻性UL，得出UL為92%，說明這種燈泡的發(fā)光均勻性良好。

圖5 光分布圖形Fig.5 Light distribution graph

2.5 熱學(xué)模擬

圖6展示了蚊香形燈泡的模擬結(jié)果，進(jìn)一步解釋燈絲結(jié)構(gòu)對(duì)散熱的影響的原因，可以看出填充氣體在燈泡內(nèi)部流動(dòng)的軌跡和的燈泡內(nèi)部的溫度分布情況。從燈泡內(nèi)氣體流動(dòng)情況，可以看出熱氣體從泡殼底端產(chǎn)生，沿著柔性燈絲結(jié)構(gòu)內(nèi)部向上流動(dòng)，當(dāng)這些熱氣體到達(dá)泡殼頂端后，氣體沿著具有弧度的泡殼內(nèi)壁向下流動(dòng)。因?yàn)榕輾ぞ哂幸欢ǖ幕《?，氣體在沿泡殼內(nèi)壁向下的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生向上回旋，然后穿過柔性燈絲結(jié)構(gòu)，形成一種循環(huán)。因?yàn)轫敹伺c底端的熱不均勻，能夠形成一定的氣體壓力差。這種壓力差能夠加速泡殼內(nèi)部的氣體循環(huán)流動(dòng)[9,10]。氣體循環(huán)加快使得泡殼內(nèi)的熱對(duì)流也能加快，增強(qiáng)燈泡的散熱能力。通過熱學(xué)模擬呈現(xiàn)的溫度分布情況可以看出燈泡內(nèi)部的熱量主要集中在燈絲內(nèi)部，在支架附近溫度達(dá)到最高。這種柔性燈泡采用的是玻璃支架，散熱沒有達(dá)到最優(yōu)情況。市面上燈泡也多采用這種玻璃支架，尋找散熱更好的支架，有利于降低燈泡的結(jié)溫，延長(zhǎng)燈泡的使用壽命。

圖6 熱學(xué)模擬圖像Fig.6 Thermal simulation image

2.6 熱阻

如圖7所示，燈泡在不同電流驅(qū)動(dòng)下，熱阻隨功率增大而減小，減小的趨勢(shì)從陡峭趨于平緩。

圖7 熱阻變化趨勢(shì)圖Fig.7 Trend chart of thermal resistance change

根據(jù)熱阻的性質(zhì)可以定義為

RJ=RJ1+RJ2+RJ3+RJ4+RI

(1)

式中RJ表示該種螺旋柔性燈泡的總熱阻，RJ1表示芯片層的熱阻，RJ2表示基板層的熱阻，RJ3表示散熱層的熱阻，RJ4表示填充氣體的熱阻，RI表示各部分接觸熱阻的和。

RI=RI1+RI2+RI3

(2)

式中RI1、RI2、RI3表示這些物理層之間接觸間隙形成的熱阻，稱為接觸分熱阻，接觸總熱阻RI可以看做RI1、RI2、RI3這些接觸熱阻串聯(lián)而成。

芯片層、基板層、散熱層的材料由非金屬固體構(gòu)成，非金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的升高而增大。隨著功率的增大，輸入電能變大，轉(zhuǎn)換的熱能增多，導(dǎo)致溫度升高，這些材料的導(dǎo)熱系數(shù)增大、熱阻減小，對(duì)熱量的阻礙能力降低，有利于散熱。

RJ4表示填充氣體的熱阻，填充的是導(dǎo)熱系數(shù)高的氦氣，隨著功率增大、溫度升高，分子的運(yùn)動(dòng)加劇，氦氣的導(dǎo)熱系數(shù)增大，熱阻降低。

RI表示各部分接觸熱阻的和，即

RI=RI1+RI2+RI3

(3)

式中RI1、RI2、RI3表示的是這些物理層之間接觸間隙形成的熱阻，稱為接觸分熱阻。表面互相接觸時(shí)，隨著接觸面溫度升高，接觸熱阻呈現(xiàn)下降規(guī)律。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的理由是由于當(dāng)接觸面溫度變化時(shí)，接觸表面的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。同時(shí)，接觸固體本身的熱阻也在變化中。

通過以上對(duì)LED各部分熱阻的分析可以得到，隨著功率增大，溫度會(huì)升高，各部分的熱阻都會(huì)發(fā)生不同程度的下降。同時(shí)引入接觸分熱阻的概念來使得不同材質(zhì)的物體之間因?yàn)閷?dǎo)熱系數(shù)差異引起的復(fù)雜問題得到化簡(jiǎn)。同時(shí)，這里的熱阻概念是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念，受客觀條件的限制與影響。

2.7 結(jié)溫

將熱敏電阻固定在燈泡樣品的表面，然后放入結(jié)溫測(cè)試儀的烤箱中定標(biāo)，定標(biāo)完成后，利用所得的定標(biāo)文件，輸入不同驅(qū)動(dòng)電流，測(cè)量燈泡樣品的pn結(jié)溫，得到不同功率下的pn結(jié)溫度的變化趨勢(shì)。如圖8所示，隨著輸入電流的變大，燈泡的結(jié)溫呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，上升的斜率基本一致，上升的幅度大約為15 ℃。結(jié)溫的產(chǎn)生的原因有兩個(gè)方面，一是發(fā)光效率的降低，電能轉(zhuǎn)化為熱能增加；二是散熱能力[11]。

圖8 結(jié)溫變化趨勢(shì)圖Fig.8 Trend Chart of Junction Temperature Change

根據(jù)圖3，發(fā)光效率先增大后降低，輸入的電能增大，電能轉(zhuǎn)化為熱能變大。與此同時(shí)，燈泡的熱阻變小，散熱能力變強(qiáng)，兩者的影響疊加之后，電流增加5 mA時(shí)結(jié)溫均勻增加約15 ℃。同時(shí)，結(jié)合式(4)～式(6)進(jìn)一步說明這種效果的疊加。

RJ=ΔT/PH

(4)

ΔT=TJ-TX

(5)

PH=PE-POpt

(6)

式中RJ是總熱阻，ΔT是結(jié)溫和環(huán)境溫度的差值，TJ是結(jié)溫，TX是環(huán)境溫度，PE是熱功率，POpt是光功率，PH是熱功率和光功率的差值。RJ隨功率增大而變小；PE隨功率增大而增大，電能更多轉(zhuǎn)化為熱能放出；POpt光功率減小，所以PH的值是變大的。

PHRJ=ΔT

(7)

根據(jù)式(4)～式(7)和ΔT=15 ℃可以得到，PH的增幅和RJ的降幅抵消，兩者的乘積為定值。

3 結(jié)論

我們基于一種具有螺旋形狀、可拉伸的蚊香形LED燈絲，制備出一種新型柔性LED球泡燈。新型柔性燈絲采用倒裝芯片簡(jiǎn)化了封裝工藝，降低了生產(chǎn)成本；利用平面涂覆技術(shù),保持了蚊香形柔性LED燈絲的色度和亮度的均勻一致性，其光分布圖也說明這種燈泡的發(fā)光均勻性良好。采用熱導(dǎo)率好的樹脂材料作為基板，有利于降低結(jié)溫。此外，樹脂材料柔韌性較好，利于拉伸出想要的燈絲形狀。這種燈泡在內(nèi)部沖入流動(dòng)性強(qiáng)的氦氣加速內(nèi)部氣體的對(duì)流，提高散熱能力。這種球泡燈的色溫穩(wěn)定，色溫為2 500 K。