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解析温度对大功率LED照明系统光电参数的影响

  技术得到迅猛发展,其在信号指示、照明、背光源、显示等方面得到广泛的应用。随着芯片技术的提高,LED已经进入LED正被照明行业使用,并显示出了光明的前景。LED功率及光效的提高,使得LED灯具代替传统照明方式成为可能。发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的芯片,在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层,称为p-n结。在某些半导体材料的p-n结中,注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来,从而把电能直接转换为光能,LED就是利用注入式电致发光原理制作的。

  由于目前LED量子效率低,在工作过程中会产生大量的热,大功率LED的热效应尤为明显。如果这些热量不能及时的散发出去,就会使LED中p-n结的温度(结温)迅速升高,导致芯片载流子有效复合几率下降,出射光子的数目减少,取光效率降低,还会使得LED芯片的发射光谱发生红移,这对利用蓝光激发YAG发光粉来取得白光的LED照明系统是非常不利的,因此LED的散热成为LED照明技术发展的重大课题,解决LED照明系统的散热问题迫在眉睫。

  COB技术是裸芯片贴装技术之一,半导体芯片贴装在印刷线路板上,芯片与基板的电气连接用引线缝合方法实现。在大功率LED灯具制造过程中,通常的做法是利用COB的方法将LED芯片封装在铝质或者铜质基板上,利用自动焊线机将芯片与基板上的电路连接,再将基板与外部电路连接在一起。基板固定在铝质散热器上将热量散发出去。因此,散热器质量的好坏直接影响着LED灯具的寿命、效率和出光质量。

  对于制造性能可靠,高亮度LED系统,热管理是一个关键技术。解决LED照明系统的散热问题,必须预先知道温度对大功率LED照明系统的光电参数的影响。国内外许多学者对LED芯片的热阻方面做了大量的研究,但对于商用照明的白光LED的散热方面的研究却很少。本文就照明用大功率白光LED灯具中,光源光通量、电学参数等光电参数受温度的影响做出分析。测试系统及实验

  本文采用的是1W×3串联封装的白光LED照明模块,其结构如图1所示。芯片选用台湾晶元光电制造的45mil蓝宝石衬底InGaN芯片。发光粉为弘大所生产,与道康宁硅胶以一定比例混合制成发光粉涂层。导热膏选用TIG78040型导热膏,其热导率为4.0W/mK。基板材质为铝质。选取4只不同规格的铝合金(6063)圆柱形鳍片

  散热器,编号为1-4号,其中1号散热器经过氧化处理,2-4号散热器未经过氧化处理。规格分别为Φ30mm×H47mm,Φ53mm×H30mm,Φ45mm×H54mm,Φ44mm×H64mm。利用杭州远方光电生产的PMS-50plus紫外-可见-近红外光谱分析系统记录光电参数。并用杭州威博科技制造的TC-2008多路温度测试仪记录温度。

  将LED光源安装在散热器上,把TC-2008多路温度测试仪的热电偶安装在散热器内部以测量散热器的温度,测试点为铝质散热器与基板相接处。将上述装置安装好后放入积分球,利用350mA恒流电源驱动,以10s为周期记录温度与光电参数。测试系统结构如图2所示。在稳恒电流驱动下的LED模块,热量由能够很好的满足散热要求的铝基板传输到鳍片散热器上,再依靠鳍片散热器散发出去。LED模块工作时散热器温度会迅速升高,连接在一起的TC-2008多路温度测试仪会记录散热器温度的瞬时值,同时,PMS-50光谱分析系统会记录下相应的光电参数。

  对于正装大功率LED,芯片侧表面和上表面散热能力差,热量绝大部分是依靠热传导将热量传到散热器,利用散热器的对流将热量散掉。因此,LED散热器质量的好坏直接影响着LED中p-n结的温度,LED的衰减主要取决于结温。

  所以,设计和使用合理的散热器对于降低大功率LED的光衰有着重要的意义。如图3所示,以350mA电流驱动LED光源,其温度会在一段时间内迅速上升,并且维持在热平衡温度上。其原因主要是由于LED开始通电时会产生大量的热量,但芯片和散热基板间的热界面材料(TIM)的热导率很低(4.0W/mK),这些热量传到散热器上需要一定的时间,所以会有一段温度急剧上升的曲线,当基板和散热器温度相同时,就达到了一种热平衡状态。此时,基板和散热器的温度不再变化,并将维持下去。这一热平衡温度取决于散热器的形状和大小,如图所示,四只散热器样品达到热平衡状态的时间和最后的温度是不同的,其热平衡温度分别为59.8,49.0,47.4,44.4℃。