大功率LED灯具散热系统的设计和研究.pdf

上海交通大学工程硕士学位论文摘要摘要发光二极管（简称LED）具有不含汞、环保、高效、长寿命、节育篝优点，被认 为是第四代照明光源。目前LED按照量产的水平，大功率1W的LED发光效率已 经超过lOOlm/W,超过目前大多数传统光源。近年来，LED因为其高效率和环保的 特性，也被广泛函四谴路照明、景观照明和其他一些it用照明工程。许 LED 照明产品被开发和应用于照明工程。但是LED照明产品的质量参差不齐，尤其是散 热奔勾设申娜将致性能的严重衰感在本文的研究中,针对LED散热系统进行了研究旨在设计开发适用于未来I路 照明需求的LED散热系统。其中主要研究内容和成果如下：采用JEDEC51-1的标准,使用目前精度最高的T3ster设备测试了一些典型的 LED灯具和LED封装体的散热性能，滁式匕傲了 LED封装体的工艺与材料和LED 灯具霜勾对刊T具整球热性能的歌向。基于实验数据和理论原理，采用热学仿真软件，设计开发了 LED路灯灯具，提 出了 LED路灯最圭的散热感鲂案。同时对路灯灯具的散热性能做了脚式。实蛇吉 果与设计一致。整f灯具献幽肝TC/W,大大f尤于目前一般LED灯具16P/W。可以保证LED的结温温升小于25以下，保证了 LED灯具50000小时的寿命。光衰与结温的关系曲线和LED路灯灯具的光衰情况也作了测试,证明最终优化 的LED散热结构可以保证LED灯具的寿命。知1词：LED,散热系统，结温，道路照明，热流体仿真技术I上海交通大学工程硕士学位ABSTRACTABSTRACTLight emitted diode(abbr.LED)is regarded as the fourth generation of lighting source with the advantages of no-mercury5 environment-friendly,high efficiency,long-life and energy saving characteristics.For the commercial production,the luminous efficiency of LED is more than 100 lm/W9 which is better than the most of the present lighting source.In recent years,LED has been widely employed in applications of the street lighting,landscape lighting and other general lighting projects for its high luminous efficiency and environment-friendly characteristics.A lot of new LED lighting fixtures are developed and employed in the lighting projects.However,the qualities of LED fixtures are highly variable and poorly performing,due to the poor heat dissipating structure of LED fixture.In the present study,we focus on the study and design of the LED street light with high heat dissipating performance fbr the future street lighting.The main results can be concluded as following:1)We have tested some typical high power LED fixtures and LED packages and obtained their p-n junction temperature(Tj)via the K-ATj 上海交通大学工程硕士学位ABSTRACTfunction through the T3ster equipment based on JEDEC51-1 standard.The technics and the materials,as well as the thermal structures of LED fixtures were important to the heat dissipating performance fbr the LED fixtures.2)Based on the heat simulation software and the principles,we designed an optimized LED street light,which is tested about the characteristics of the thermal performance.The experiment result is compatible with the original designing and the heat resistance of the luminaire is below 9/W5 which is much better than that of the present LED luminaires.Consequently,the Tj rise could be controlled under 25 which is safe fbr the assurance of LED 50000 hours lifetime.3)The luminous decay-Tj curve and the decadency of the LED street light are tested and the thermal structure is confirmed to be suitable fbr the LED street light under the lifetime assurance.Keywords:LED,thermal structure,temperature of p-n Junction,street light,thermal simulationiii上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论第一章绪论1.1 课题研究的工程需求和研究意义1.1.1 课题的工程需求来源1998年白光LED的开发成功，使得LED应川从单纯的显示功能向照明功能迈出 了实质性的一步。与传统光源白炽灯及荧光灯相比，LED具有体积小、耗电量小、寿命长、反应速度快、环保等优点，没有白炽灯高耗电、易碎及巳光灯废弃物有汞 污染等缺点，是被业界看作替代传统照明器具的一大潜力商品。随着LED技术的持 续发展，特别是大功率白光LED的发展，LED固体照明无疑将应川于更广泛的领域 1o美国能源部曾预测，2010年前后，美国将有55%的白炽灯和荧光灯被LED替代,每年节电价值可达350亿美元，可能形成一个500-1000亿美元的大产业。曾经有人指 出，高亮度LED将是人类继爱迪生发明白炽灯泡之后最伟大的发明之一。近年来，大功率LED发展迅速，在结构和性能上都有了较大的改进，随着产能 上升和价格的下降，特别是开发出单颗功率为100W的超大功率白光LED与前几年相 比较，在发光效率上有长足的进步。LED光源同白炽灯或荧光灯比较其最吸引人目 光的就是它节能环保的特性与白炽灯比较，白光LED照明可节电80%90%,与荧光 灯比较白光LED可节电50%,寿命可达810万小时，是白炽灯的2030倍，是荧光 灯的10倍。众所周知环境问题是目前摆在全世界面前的一道难题，如何保护环境不再遭受 人为的破坏，减少温室气体的排放成为世界各国正在致力研究的课题。开发更加节 能环保的绿色照明产品已经成为刻不容缓的工作。从图1-1中我们可以清晰的看到全 世界的照明现状。上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论图1-1世界照明分布图Fig.1-1 Distribution of the world lighting大功率的LED要进入通用照明市场的关键问题主要是以下几个方面：1.白光LED芯片的光效受散热结构的影响非常大，散热是LED照明使川的关键。2.LED是点发散光源，光波衰减严重，光学设计是难点。3.电源驱动和LED照明灯具的整体使川方案还不成熟。如何散热是LED产品需要解决的关键问题之一,温度的升高会造成产品性能的 降低，效率降低，增加波长（颜色偏红），降低使川寿命等问题。所以如何解决散热 的问题是LED产品中需要解决的关键问题。本课题的研究意义就是希望通过对LED 散热系统进行优化设计和研究，从而能够提高大功率白光LED光效，提高LED灯 具的使川寿命，使LED能够早巳代替传统照明光源。本课题研究对LED照明取代传统照明重点技术进行了突破，实现节能减排的目 的。以替代250瓦钠灯来估算，1盏LED灯具1年可以节约430度电，年减少二氧 化碳排放量0.662吨。课题研究之后，每年如果生产2万套灯具投入使用，可以为 社会每年节能860万度电，年减少二氧化碳排放1.324万吨。课题研究之后5年内，可以为社会节省1.29亿度耗电量，减少19.86万吨二氧化碳排放量。2上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论课题研究内容符合国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020年），是 国家高技术研究发展计划（863计划）新材料技术领域“半导体照明工程”LED功 能性照明系统集成技术开发课题的重大项目课题之一。本课题研究的LED灯具产品是2008年上海市经委上海市引进技术的吸收与创 新计划标志性新产品开发专题之一，2008年上海市科学技术委员会科研计划项目 课题之一。1.1.2课题研究对象产品定义目前影响LED照明发展的问题主要有以下几个方面：1.LED热特性检测方面缺少准确的检测仪器。2.散热问题缺乏整体系统的考虑没有一个系统完善的解决方案。3.光学镜头普遍过厚，导致灯具透光效率普遍较低。4.封装的光学设计同照明应川光学设计存在脱节问题。LED灯具中最难设计的就是道路照明灯具，原因如下：首先道路照明属于户外 照明产品，LED路灯亮度要求高、发热量大,并且户外的使用环境对灯具的要求比较 苛刻，如果散热不良会直接导致LED快速老化稳定性降低,所以说LED灯具散热 设计是LED灯具设计中最难设计的产品；其次因为缺少相关标准和行业政策的支持 虽然部分企业联合学术界对LED道路照明相关问题进行了研讨，但还无相关行业标 准规范无法全面推广,造成LED生产厂家和灯具生产厂家存在技术上的衔接障碍 几个主要参数如色温、显色性（显色指数）和眩光等尚未明确的规定。综合以上考虑，将以LED在道路照明中的产品作为研究目标，力求通过深入的 研究提供出一套可以解决现状的方法，解决目前的问题。1.1.3课题依托单位简介上海亚明灯泡厂有限公司创建于1923年，是中国人创办的第一家灯泡制造工厂。经85年的不断发展，产品技术水平在国内照明电器行业中居领先地位，是中国照明3上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论电器协会副理事长单位，上海照明电器协会理事长单位。亚明公司的注册商标“亚”字是上海市著名商标，在市场上被公认为国产一流照明产品的标志，其中普通照明 灯泡曾获国家银质奖，高压汞灯曾获轻工部优质奖，高压钠灯曾获国家金质奖。亚 明是一家集技术、制造和工程服务于一体的专业照明公司，公司技术中心拥有一支 60名科技人员的开发队伍，2006年被认定为上海市企业技术中心。亚明研发人员以 发展民族照明事业为己任，已创造一流绿色照明企业为目标，创造了中国人在照明 世界的一个又一个“第一”，课题研究第三代照明光源-LED光源的应用，寻求新 的突破。下图（图1-2）是亚明技术团队的研发成果。J训制始中 叱e支金儆试掂中国第一 堂口光灯管研制成功中 国觉一支标研制中国 第一支高 仄铺灯引进懒中 国第一支 UP泠卤灯场制皮功中 国第f电 老放顺1923 1948 1963 1970 1975 1978 1988 2004 2008 2010”代图1-2亚明技术团队的研发成果Fig.1-2 The R&D Efforts of yarning Technical team亚明从20 02年开始已经承担完成的LED照明工程如下:1、白山市政府广场泛光照 明工程（20 02年4月）；2、南京玄武湖夜景亮化一期工程（20 02年8月）；3、云阳 新县城滨江公园灯饰、喷泉工程（20 03年10月）；4、大柳塔小区亮化工程（20 03 年12月）；5、兰州第二长途电信枢纽工程建筑物景观照明工程（20 04年5月）；6、东营市南一路第五分包照明工程（20 04年9月）；7、舟山市行政中心建筑及配套设 施泛光照明系统工程（20 04年7月）；8、常州软件园服务中心楼泛光照明工程（20 05 年2月）；9、北京房山区阳光大街道路工程（照明工程、20 0 6年7月）；10、北京大 都市街亮丽工程改造（20 0 6年2月）；11、昆山正阳桥景观照明工程（20 0 7年3月）；12、杭州通讯综合楼泛光照明（20 0 7年12月）；13、前门大街两侧建筑亮化照明工 4上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论程，如图1-3所小(20 08年2月)。图1-3北京前门大街两侧建筑亮化照明工程Fig.1-3 The project of building lighting on the two sides of beijing qianmen street2007年,亚明正式成立LED研究机构，投入巨资建立世界一流的LED灯具实验室。在国内外众多厂家还在为大功率LED散热问题头疼的时候，亚明率先提出光、热、电整合测试的概念，引进光、热、电整合测试设备，沿川JEDEC和国家标准中的电 学参数法(JEDEC JESD 51-1,GB/T 4587-94),对LED热学特性进行准确量化分析,并在此基础上开展了LED灯具热特性检测分析的研究。由传统的光电特性提升到光、热、电特性的概念，亚明走在LED应川技术研究的前沿。光学技术是亚明开发团队 的强项，结合LED光源的特性，亚明在课题中提出了超薄透镜的概念。亚明看到了 光在透镜等光学材料的吸收问题，早期就运川微光学技术来提高传统灯具的光学效 率，在V槽设计加工方面具有丰富的经验。公司LED研究检测设备有：LED光热电整合测试系统，LED灯具热特性检测仪,红外显微热像仪，红外成像仪，红外测温仪，热电偶温度计，温度数据采集系统，分布光度计(大)，分布光度计(小)，光谱分析系统积分球(Im),光谱分 析系统积分球(0.5m),色彩照度计，辐射测试仪，反射率透射率测试仪，折 5上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论射率测试仪，镀层测试仪，示波器，图示仪，数字LCR电桥，功率计，晶粒点测系 统(Prober),荧光粉测试仪，ESD测试仪，推拉力检测机，X-ray检测仪，电子扫 描显微镜，3D视频显微镜，金相显微镜，实体显微镜，二次元工具显微镜，失效分 析切片设备，常温老化系统，冷热冲击试验箱，温湿度试验箱，试验箱老化电源系 统，灼热丝试验仪，针焰试验仪，防尘试验系统，防水试验系统等。工艺实验设备有：CNC加工中心，车床，钻铳床，冲压机，注塑机，CDM封接 箱(陶瓷焊接箱)，低温金属焊接箱，无氧烤箱，等离子清洗机，固晶机，打线机,分析天平，脱泡机，点胶机等。1.2 国内外研究现状分析1.2.1 国外LED照明研究现状LED照明是21世纪最引人注目的新技术，它涉及到材料，器件结构，光学设计,封装技术与工艺，灯具设计，照明效果等多个领域。现在从国际到国内都开始对LED 光源进行研究，迄今，美、巳、欧洲相继投资开发LED绿色光源，美国能源部曾预 测，2010年后美国将有55%的白炽灯和荧光灯被LED灯取代，每年节电可达350亿 美元，减少7.55亿吨二氧化碳的排放量，并可能形成一个5 0 0-1 0 0 0亿美元的大产 业。欧盟各国早在20 0 0年时就启动“彩虹计划”希望通过LED照明实现高效，节 能，不使川有害环境的材料，模拟自然光的目标。而20 0 7年欧盟春季首脑会议也达 成协议，20 09年前将淘汰白炽灯，选用节能的荧光灯和LED灯替代，从而减少温室 气体的排放。1.2.2 国内LED照明研究现状我国“八五”期间就十分关注LED的发展，通过“863”科技公关，技术创新,已取得部分研发成果，但白光LED技术开发和产业化程度与发达国家之间尚有一定 的差距。在我国明确提出了节能减排，大力发展节能环保型产品后，大功率LED产 品的开发变的更加的重要，如果2010年LED照明能够进入我国1/3的照明市场，每年可节约1 0 0 0亿度电，相当于一个多三峡发电厂的发电量。随着LED芯片发光 6上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论效率的不断增加，大功率高亮度的LED芯片的出现，使白光固态LED照明成为现 实，将成为未来绿色节能照明的首选光源凶。随着国家的建设发展，道路照明市场成长迅速。截止20 0 7年底，我国路灯单位 718个，全国路灯共有1 3 72.1 6万盏，全国路灯总经费为96亿元，全国路灯年用电 量达到840亿度（约占全国总发电量的4%5%）。全国路灯盏数前十位的省份为：江苏、广东、山东、浙江、辽宁、河南、四川、黑龙江、湖南、福建。全国路灯盏数前十位的城市为：上海、沈阳、广州、天津、北京、呼和浩特、无锡、武汉、南京、杭州。具体数据可参考图1-4,图1-5：图1-4 2008城市道路照明设施统计前十位省份Fig.1-4 The top 10 provinces of road illumination facilities in china 2008图1-5 2008城市道路照明设施统计前十位城市Fig.1-5 The top 10 cities of road illumination facilities in china 2008建设部“十一五”城市绿色照明工程规划纲要要求城市照明行业坚持以人为 7上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论本，坚持节能优先，以高效、节电、环保、安全为核心，努力构建1个绿色、健康、人文的城市照明环境，切实提高城市照明发展质量、设计、施工质量和综合效益。纲要还提出了“以20 05年底为基数，年城市照明节电目标5%,5年(20 0 62010年)累计节电25%”的硬性指标。根据国家政策纲要指导，“积极推广高压钠灯、金属卤化物灯、半导体发光二极 管(LED)、T8、T5荧光灯、紧凑型荧光灯(CFL),大功率紧凑型荧光灯等高效照明光 源产品”成为我国道路照明的发展趋势。1.2.3 LED照明散热系统的研究现状和发展趋势通过分析美国NGLI A委员会公布的LED光效及成本发展趋势图(图1-6),LED 进入照明应川需要在有效利川光效上超过传统电光源，根据这一点，作者认为LED 照明应川的研究基本上从20 08年开始进入实质性阶段，从2010年开始逐步进入商 业化阶段。JW4 MM JDK)2012 2015 2OJ0图1-6 LED光效及成本发展趋势图(来源：美国NGLIA委员会)阿Fig.1-6 LED light efficiency and cost development tendency(Source:NGLIA,U.S.)在2008年6月，国家高技术研究发展计划(863计划)新材料技术领域“半导 体照明工程”及时颁布了LED功能性照明系统集成技术开发课题的重大项目课题。8上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论LED功能性照明系统集成技术开发课题明确指出研究目标：通过LED用于道路、室内等功能性照明的关键技术研究与系统集成，突破LED功能性照明技术，开发出 高效率、高可靠性的功能性照明产品，并在实际工程项目中使川，推进绿色照明工 程的节能示范工作。中国广阔的市场前景和国家政策的推动，大大刺激了国内外的厂商投入LED照 明应川技术的研究开发，其中包括在中国的外资厂商OSRAM、PHILIPS、STANLEY,台 资厂商富士康、亿光、新光，内资厂商亚明、燎原、勤上、史福特等。而针对散热问题缺少一个系统的解决方案会导致灯具使川寿命下降，灯具效率 无法提升，可靠性下降等后果，如果可以开发出一套散热系统的解决方案可以从根 本上解决这个问题。1.3 课题研究的目标LED的散热问题是影响大功率LED发展的瓶颈问题之一，现在全世界都在对 LED散热进行研究，并且也出现了很多不同的散热方法，每一种散热方式和理论都 有它的优越性，同时也都有一些局限性，低热阻，散热良好的产品是大功率LED的 未来发展方向，（参考LED功能性照明系统集成技术开发课题指南对散热技术的 要求）研究如何从结构设计方面将不同的散热技术整合优化，达到一个相对最隹的 状态，从而满足大功率LED对散热的要求，是对结构设计提出的一个挑战，如何通 过优化产品结构设计，提高LED散热的效率是研究的主要目标和方向。LED结温控制条件苛刻，第一是温度的限制，120C时产品就会失效，最大结温 设计值要控制在90 时光效只有70%寿命5万小时，所以必需要控制在90以下，这样和环境温度35之间只有55C的温差，这样对散热要求很高；第二是散热结构 设计必需满足灯具的光学要求，不能因为散热原因，分散光源的排列，这样会降低 光效；第三是散热设计必需满足灯具外形需要，不能因为散热影响灯具外形；第四 是必需考虑到控制成本，制程要简单。因为有以上种种条件的限制，LED散热也变 成了整个LED技术发展的一个难点。9上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论1.4 课题研究的内容下图（图1-7）是LED发光原理图，在LED的p-n结合部有一个发光层，当注 入电流后在该处电子和空穴复合后放出与电子和空穴的能量差相对应的能量而发出 光子，该能量差相当于半导体材料的间隙能量Eg,与发光波长入的关系为入=1.24/Eg,因此通过选择不同材料，其发光光谱可以从红外，可见光到紫外波段，而且这类器 件的发光光谱和温度有很大关系。发射光子图1-7 LED白光发光原理图网Fig.1-7 LED illumination schematic diagram第三代半导体材料GaN技术的突破引发了照明领域的第三次革命，发光效率不 断改进提高，将逐步代替白炽灯和荧光灯进入普通照明领域。目前白光LED技术主 要有三类：1）川InGaN蓝色HB-LED管芯上加少量钻铝石榴石为主的荧光粉；2）利用三基色原理将红、绿、蓝三种HB-LED混合成白光；3）用紫外光LED激发三基色荧光粉或其他荧光粉，产生多色光混合成白光。10上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论传统的指示灯型LED封装结构，一般是用导电或非导电胶将芯片装在小尺寸的 反射杯中或载片台上，由金丝完成器件的内外连接后用环氧树脂封装而成，其热阻 高达20 03 0 0。W,新的功率型芯片若采川传统式的LED封装形式，将会因为散热 不良而导致芯片结温迅速上升和环氧碳化变黄，从而造成器件的加速光衰直至失效,甚至因为迅速的热膨胀所产生的应力造成开路而失效。结温和光输出效率之间的关系可参考下图（图1-8）,在下图中可以发现不同颜 色的光的输出效率同结温之间是成反比例关系，即随着结温的升高光输出效率降低。可见散热能力的好坏对于LED有着非常关键的作川。200%150%100%(d o l)InHnor6n。一亘击50%0%-40-20 0 20 40 60 80 100 120Junction Temperature TJ C图1-8结温和光输出效率关系图Fig.1-8 Junction temperature and luminous efficiency relational graph对于承载大工作电流的功率型LED芯片，低热阻、散热良好及低应力的新的封 装结构是功率型LED器件的技术关键。可采用低阻率、高导热性能的材料粘结芯片 在芯片下部加铜或铝质热沉，并采川半包封结构，加速散热;甚至设计二次散热装置,来降低器件的热阻。在器件的内部，填充透明度高的柔性硅橡胶，在硅橡胶承受的 温度范围内（一般为4020 0 C）,胶体不会因温度骤然变化而导致器件开路，也不 会出现变黄现象。零件材料也应充分考虑其导热、散热特性，以获得良好的整体热 11上海交通大学工程硕士学位论文第一章绪论特性。结点温度过高影响LED的电气性能，会最终导致LED失效。如何让LED保持 长时间的持续可靠工作是目前大功率LED器件封装和系统封装的关键技术。由于现 阶段单颗LED的输出光束低，对于一般照明使用，将需要大量的LED元件集成在一 块模组中以达到所需之照度。但LED的光电转换效率不高，大约只有15%20%左右 电能转为光输出，其余均转换成为热能，因此，当大量使用LED集成在一块模组，这些热量将造成散热处理的大问题。这些热量将会造成LED模组的温度上升，当温 度升高时：1）发光强度降低，随着芯片结温的增加，芯片的发光效率效率也会随之减少，芯 片结温越高，发光强度下降越快。2）发光主波长偏移，当LED的温度升高时，LED的波长的大致变化规律为每升高 10度，波长红移1nm,主波长的变化将会引起混色效果的变化，还会偏移黄色荧光 粉的激发峰值，致使转换效率下降。3）严重降低LED的寿命，加速LED的光衰。因此好的散热设计是要管理好结温在设计LED发光器件时，良好的散热设 计主要是出于以下考虑：一方面改善器件内部封装结构，提高发热芯片向外壳传导 热量的能力；另外一方面提高外壳向外界散热的能力。本课题的主要内容是通过对白光LED发光原理，散热原理以及基本结构的分析,建立热学模型并进行分析。通过对制约散热的条件阐述，研究设计散热器的结构，最终达到优化散热系统，达到产品设计对温度的要求，提高LED产品光效，提高LED 产品使川寿命的目的。为了达到对LED灯具散热系统的整体优化，课题将从LED封装结构的优化设计;LED散热器结构的优化设计；回路热管结构的优化设计；以及灯具结构的优化设计几 个方面入手，通过热仿真模拟，以及最终的热特性测试来验证优化设计方案的正确 性。从而最终达到解决LED散热问题的目标。12上海交通大学工程硕士学位论文第二章LED灯具封装技术研究第二章LED灯具封装技术研究LED在作为照明产品应用时，其封装技术已经不同于传统指示应用的LED封装 技术，也不同于硅半导体器件的封装技术，LED的大功率封装技术目前已形成一套 集光学技术、导热技术、荧光粉技术的技术体系。为了更好的结合封装技术与应用 技术，课题从封装开始着手研究。从LED封装的三大核心技术来看，导热技术、取光技术、荧光粉涂覆技术均取 得了很大的进步，但还没有形成一种标准工艺，这一点也可以看出LED封装技术还 处在发展阶段。课题通过对上述核心技术的研究分析，提出一种最优性价比的LED 照明应用封装形式。下图(图2-1)是封装技术工艺的演化图。封蓑工艺技术进步决定设计能力键层回粹Lens折射率晶片沆稠OSJtAXf)呈片I罹iLsiHs)金属基硅基 丽基星金球 英宝石福轩笄 共品库 导叁皴胶 学津钙酸图2-1封装技术工艺演化图Fig.2-1 Seal technology craft evolution chart2.1 封装导热技术研究LED封装导热技术是目前最热门的课题之一，课题检测了不同封装结构的产品,13上海交通大学工程硕士学位论文第二章LED灯具封装技术研究通过分析找出最佳的散热结构。下图(图2-2)是几款照明应用LED封装体的热阻检 测数据。图2-2照明应用LED封装体的热阻检测数据Fig.2-2 Section of illuminations seal bodys thermal resistance examination data using LED数据的测试时将LED贴在恒温基座上，采用10mA的检测电流，在LED通350 mA 电流工作100秒后，切换至10mA的检测电流，不断测试LED在降温过程中正向电压(VF),通过分析VF的变化曲线，得出LED热阻特性。从上述的数据可以看出目前热阻最小的封装结构是采川锡钎焊的固晶工艺，芯 片底部材料为硅基材或铜基材，基板材质为铜材料。在对上述检测的LED做切片分析后，将更加清楚确定地导热性能最佳的封装体 结构。以下表1是切片分析的工具与切片分析结果：14上海交通大学工程硕士学位论文第二章LED灯具封装技术研究表1照明应用LED封装体的结构厂商名称切片前正面图切片结果说明OSRAM】工 一 一一/1，J畦基,锡钎焊铜基座固晶间隙二-“_铜基,锡钎焊铜基座固晶间隙4 口 mCREE口 jL一.畦基,共晶焊陶瓷板固晶间隙13 u mSTANLEYaSi C,共晶焊陶瓷板固品间隙33 u mLEMMIS4司.-.feLw11芯片未知,共品焊陶瓷板固品间隙80um适合小芯片或PN结高度适合大芯片或PN结高度较高采川。适川范围较低采川。一般芯片尺寸一般芯片尺寸三1 mm,LED芯片带硅d mm基或铜基,_示例 XII.通过上述分析，考虑到采用40mil芯片，最佳导热封装结构为铜基或硅基的LED 芯片+锡钎焊固晶+铜基座。2.2 封装荧光粉涂覆技术研究从目前行业内的荧光粉涂覆技术主要有两种方式，一种是在封装工艺前对晶片 表面进行涂覆，另一种是在封装工艺中通过点胶或喷胶的方式进行涂覆。下表3是 荧光粉涂覆后的照片：16上海交通大学工程硕士学位论文第二章LED灯具封装技术研究表3荧光粉涂盖后照片涂覆工艺正面照片厂商*晶片涂覆hw rOSRAM A晶片涂覆+Philips Lumileds和晶片涂覆CREEIN封装涂覆CREE采用晶片涂覆产品在色温控制方面具有较高的一致性，但该工艺需要晶片光刻 制程和晶片划片分选等后工艺制程的支持，设备投资超出本课题预算。本课题采川 在封装涂覆的工艺，通过采用喷射式点胶阀精确控制胶量，涂覆后静置于水平台面 使荧光粉沉淀于晶片上方，虽然工艺时间比较长（一般5-6小时），但产品色温一致 性控制在300K,达到了较高的控制指标。2.3 封装取光技术研究17上海交通大学工程硕士学位论文第二章LED灯具封装技术研究LED封装的取光技术主要包括两方面：一方面是材料的选择，如材料的折射率、表面镀层粗糙度及反射率；另一方面涉及光学设计，如凹杯的设计和透镜表面结构 设计（其中包括配光曲线设计）。封装材料的折射率提高有利于更多的光从LED晶片中取出，因为LED发光层材 料折射率约2.5,而封装材料折射率大约在L 4-L 6之间，当光线从高折射率的晶片 材料进入低折射率的封装材料时会发生全反射现象，从而降低了光线的取出效率。所以，提高封装材料的折射率，可以降低发生全反射的临界角，提升光线取出效率。改善上述界面全反射问题的方法，还可以在品片表面制作光子晶体，改变光线在接 触界面的角度（小于全反射临界角），提升光取出效率。封装镀层问题直接影响到光的取出效率，下图2-3是课题针对镀层试验的三款 试验封装基板，分别为镀亮银（左）、未镀银（中）、镀哑银（右）。在实验中发现镀 哑银基板比镀亮银光通量高出10%,而不镀银封装后光通量仅为镀哑银的30%。图2-3对镀层试验的三款封装基板Fig.2-3 Three packaging substrate plate in coating experiments封装凹杯的设计是影响取光效率的另一个问题，课题针对凹杯的设计进行了光 学仿真试验，仿真试验以凹杯的侧壁角度、深度、杯底直径作为三个变量，寻求最 佳取光效率的设计。如图2-4所示。18上海交通大学工程硕士学位论文第二章LED灯具封装技术研究图2-4凹杯设计的光学仿真试验图Fig.2-4 The concavity cup design in optical simulation下图2-5是光通量与凹杯侧壁角度的仿真结果，从中看出45-55度角最有利于取光效率提升。我们取凹杯角度51度，进行凹杯底部直径与杯深的仿真试验。图25光通量与凹杯侧壁角度的仿真关系结果图Fig.2-5 The simulation relationship between optical flux and Sidewall angle of the concavity cup 从下图2-6和表4可以看出取光效率最佳的凹杯尺寸,底部直径5.5m，杯深1mmo表4Cup D Bot(mm)2.53.54.55.56.50.28.728.728.738.749.020.48.728.738.768.959.080.68.758.808.969.618.830.88.828.989.4410.308.701.09.019.3610.2010.608.6119上海交通大学工程硕士学位论文第二章LED灯具封装技术研究图2-6光通量与凹杯尺寸的仿真关系图Fig.2-6 The simulation relationship between optical flux and the size of the concavity cupLED封装体透镜的设计根据配光曲线目前分两类：一类具有道路照明蝙蝠翼配 光曲线的双包形透镜；另一类为投射局部路面，然后在灯具装配一定角度，互相搭 配满足道路照明配光要求。LED封装透镜设计的主要根据LED晶粒的出光特性，如下图2-7所示，封装材 料折射率及透射率，结合反射凹杯设计进行。图2-7 LED晶粒的出光特性Fig.2-7 The optical characteristic of different LEDs20上海交通大学工程硕士学位论文第三章LED散热技术现状研究第三章LED灯具散热技术的研究LED灯具作为新一代的照明产品，不同于传统电光源，它具有半导体产品的特 性，其热特性直接影响到LED产品的使川寿命，其光学特性也很大程度上受发光层（PN结）结温的影响。3.1 LED散热模式分析3.1 J LED散热的重要性如下图（图3-1）所示，LED的结温是关系到LED灯具使用寿命的重要技术指120 000-100 000q 90 000-。50 一*40 000-20 00。-i-1：】丁0 Z0 40 80 80 100 120始&P图3-1 LED使用寿命与其结温的关系Fig.3-1 The relations between LEDs service life and junction temperature同时，LED的结温也影响到LED发光效率，下图3-2是在不同温度下测得的光通 量数据。可以看出，当温度从20 上升到80。时，LED的光通量从721nl下降到601 m,下降比例为16.7%o21上海交通大学工程硕士学位论文第三章LED散热技术现状研究图3-2不同温度的光通量数据图Fig.3-2 Different temperature luminous flux data chart可见，散热技术是LED照明应川中关键的环节。要分析传统LED散热模式，就 必须对热传递方式进行说明，热量的传递过程是依靠传导、对流、辐射三种方式完 成的。3.1.2热传递基本原理热传递的基本途径主要有以下三种：热传导、热对流、热辐射。固体内部的热 量传递只能以传导的方式进行，但流体与散热器壁面之间的换热过程则往往同时包 含对流与传导，对高温固体或流体则还有热辐射。固体材料的导热系数随温度而变：X=X0(l+aT).(3.1)式中：入为固体在温度T时的导热系数，22上海交通大学工程硕士学位论文第三章LED散热技术现状研究入0为固体在温度0时的导热系数，Q为温度系数，对大多数金属材料为负值，而对大多数非金属材料为正值。气体的导热系数比液体更小，约为液体导热系数的1/10；固体材料当气孔率很 高时，导热系数就会大幅下降