大功率白光LED路燈發(fā)光板設(shè)計與驅(qū)動技術(shù)

摘要： 為最大可能提高大功率LED路燈發(fā)光板的電光轉(zhuǎn)化率與散熱效率，在不影響外量子效率前提下對LED芯片設(shè)計采用擴大LED芯片面積，以及電極優(yōu)化技術(shù)增加LED芯片的出光量，使芯片表面熱流均勻分布，芯片工作更穩(wěn)定。分析了大功率白光LED的封裝過程對提高芯片取光率、保障白光質(zhì)量、器件散熱技術(shù)的綜合應(yīng)用。綜合上述技術(shù)及有限元分析軟件對大功率LED器件封裝的熱阻分析結(jié)果，確定了COB(chip onboard)LED芯片的陣列組裝技術(shù)，為制造LED路燈發(fā)光板的最佳技術(shù)方案。LED芯片結(jié)溫很容易控制在120 ℃以下，與外部散熱技術(shù)兼容性好。通過光線最佳歸一化數(shù)學模型計算了LED芯片陣列芯片間最佳距離。最后通過對各種白光LED驅(qū)動方案的比較，確定了白光LED最佳驅(qū)動方案為恒電流驅(qū)動脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)節(jié)亮度。

1 引 言

LED是一種綠色照明光源，其主要優(yōu)點是發(fā)光效率高。隨著材料科學的進展，在未來十幾年其發(fā)光效率會有更大幅度的提高;且能量消耗低、壽命長、材料可回收，不會污染環(huán)境。

基于LED照明的以上優(yōu)點，歐美、日本和韓國都制定了相應(yīng)的法律法規(guī)和產(chǎn)業(yè)扶持政策，在未來十幾年的時間里大規(guī)模推廣相關(guān)技術(shù)到民用照明領(lǐng)域。我國雖然起步比較晚，但最近幾年也開始了積極的科研開發(fā)和產(chǎn)業(yè)政策的制定和扶持等工作。

2 大功率白光LED路燈發(fā)光板設(shè)計的相關(guān)應(yīng)用技術(shù)

目前，白光LED 技術(shù)主要有三種：采用InGaN藍色LED管芯上加少量釔鋁石榴石為主的熒光粉，由藍光LED激發(fā)熒光粉發(fā)出黃光，與藍光混合發(fā)出白光;利用三基色原理將紅、綠、藍三種LED混合成白光;用紫外光LED 激發(fā)三基色熒光粉產(chǎn)生多色光混合成白光。

其中第二種方案控制難度較高、而且陣列應(yīng)用很難保證發(fā)出均勻的白光，而第三種白光技術(shù)所發(fā)白光有紫外光成分，因此這里選擇第一種白光技術(shù)進行應(yīng)用技術(shù)分析。大功率白光LED的發(fā)明成功為半導(dǎo)體發(fā)光元件進入照明領(lǐng)域提供了物質(zhì)與技術(shù)保障。大功率白光發(fā)光二極管在照明領(lǐng)域的使用需要注意兩方面問題：電/光轉(zhuǎn)化率和發(fā)光組件的熱控制。

大功率LED是一種小型器件，隨著制造技術(shù)的提高，輸入的驅(qū)動電流越來越大，輸入功率也隨之提高。雖然電/光轉(zhuǎn)化率較高，但從芯片面積上來講，應(yīng)該算作是點光源，因此單位面積上發(fā)熱量很大。而大功率LED器件性能隨著結(jié)溫的升高會受到很大影響，超過一定溫度后，電/光轉(zhuǎn)化率會急劇下降，甚至器件因為溫度過高而永久失去功能。

2. 1 提高大功率LED 芯片電/光轉(zhuǎn)化率并使芯片熱流密度均勻化的芯片級應(yīng)用技術(shù)

隨著技術(shù)發(fā)展， LED的芯片二維尺寸不斷地增大，通過擴大LED芯片面積，使得LED輸出功率提高，發(fā)光亮度得以大幅度地提高。但若一味加大芯片面積，反而會出現(xiàn)LED內(nèi)部的光吸收比率增加、外部量子效率降低等不利的現(xiàn)象，并且結(jié)溫的溫升也會進一步升高。而且隨著芯片二維尺寸的增加，芯片本身的發(fā)光效率也下降得很快。

為了優(yōu)化LED芯片的熱學、光學性能，一方面除了加大芯片的尺寸，另一方面可以通過優(yōu)化芯片上電極結(jié)構(gòu)使得整個芯片在工作時的電流均勻地擴散分布。如果電流分布不均勻，往往會導(dǎo)致熱流密度以及光通量的不均勻分布，在芯片內(nèi)部產(chǎn)生局部的熱斑，這樣將大大地降低LED器件的效率和可靠性。

為減少LED芯片中橫向電流不均勻分布，有效電流路徑長度必須很短并且同等，該長度決定于正電極和負電極的空間距離。圖1(b)芯片電極通過優(yōu)化后電流密度在整個芯片分布的均勻性要比圖1 ( a)好。

圖1 LED中不同電極結(jié)構(gòu)的電流擴展分布

可知對于大芯片LED,單獨一個電極設(shè)計是不利于電流擴散，因此現(xiàn)在的大功率LED多采用梳狀條形交叉電極、梳狀條形與點狀結(jié)合的電極以及米字形的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計。這可以使得芯片內(nèi)電流分布比較均勻，使發(fā)光芯片由單電極結(jié)構(gòu)的點光源成為面光源，提高芯片總的光輸出通量，另外可以使得芯片的表面熱分布均勻，防止產(chǎn)生熱斑。圖2所示為主流的大功率LED的電極結(jié)構(gòu)示意圖，其中的米字型電極設(shè)計的芯片為美國Cree公司的專利產(chǎn)品。

圖2 大功率LED芯片電極結(jié)構(gòu)。

米字形電極結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用是基于導(dǎo)電碳化硅( SiC)襯底生長的LED,其電流是垂直擴散，比起在絕緣透明藍寶石(sapphire)襯底上生長GaN基梳狀電極的LED芯片的橫向擴散電流，其電流分布均勻性更好。

2. 2 大功率白光LED 的封裝階段對LED 芯片取光、保障白光質(zhì)量與器件快速散熱技術(shù)的綜合應(yīng)用

固晶階段：將LED芯片焊接固定在導(dǎo)熱襯底(熱沉)上，一般在襯底上由下而上地敷有絕緣層、電路層、反射層。圖3~5為三種芯片在襯底上的焊接固定方式。

圖3 LED芯片正向焊接與雙電極金屬鍵合示意

圖4 梳狀條形電極LED芯片倒裝焊接與雙電極金屬鍵合示意

圖5 倒轉(zhuǎn)焊在硅片上的單電極芯片

其中圖4 和圖5 的固晶方式與圖3 的常規(guī)LED芯片的固晶方式相比較，將芯片的發(fā)熱端與熱沉層直接接觸，非常容易散熱，將比較大的發(fā)光面朝上，既考慮了取光率也考慮了散熱，這是目前主流的大功率LED芯片焊接固定方式。

安裝管殼：安裝的管殼一般都會被加工成錐形或拋物線形的反射杯，以增加功率型LED的出光量，屬于二次取光技術(shù)， 增加了單芯片的出光率。

金屬鍵合：利用金絲球焊的方法將焊盤與外部電極連接鍵合，即芯片電極與外部電極相連接。

配粉及涂粉工藝：配置可在藍光LED發(fā)出的藍光激發(fā)下能發(fā)出相應(yīng)色譜范圍內(nèi)黃光的熒光粉，并涂敷在芯片的表面。涂敷熒光配膠工藝目前國內(nèi)多采用傳統(tǒng)的點膠方式，國外多采用保形涂敷( conformal coating)技術(shù)。二者比較而言，通過點膠形成的熒光粉層不能保證在芯片周圍的厚度一致，這樣就會造成不同視角發(fā)光器件的顏色不一樣。而采用保形涂粉的方法，由于在芯片周圍涂層的厚度均勻，因此所發(fā)出的光的顏色一致性好，保證了所發(fā)出白光的純正。

最后，向反光杯( reffeitor)中填充熱穩(wěn)定性能好、絕緣以及光學透明折射率高的柔性硅膠，并在最上面加上一個光學透鏡，形成光學微腔，經(jīng)熱固化后完成整個器件的封裝。圖6~8為單芯片封裝的功率型的LED器件。在完成大功率白光LED芯片及封裝的出光率與熱管理的技術(shù)優(yōu)化基礎(chǔ)上，可采用COB技術(shù)陣列式組裝大功率白光LED芯片制造路燈發(fā)光板。

圖6 點膠(a)與保形涂粉(b)工藝的對比

圖7 普通架式功率型LED封裝示意圖

圖8　一種大功率LED器件的封裝示意圖

2. 3 以COB技術(shù)陣列式組裝大功率白光LED路燈發(fā)光板的技術(shù)優(yōu)勢

LED產(chǎn)業(yè)經(jīng)過40多年的發(fā)展，經(jīng)過了支架式LED (Lead LED ) 、普通貼片式LED ( Chip SMDLED) 、功率LED ( Power LED) 、大功率LED (HighPower LED)等發(fā)展歷程。

圖9為LED發(fā)光器件封裝結(jié)構(gòu)的演變，從圖中可以看出，LED器件封裝的熱阻越來越小。但是在目前的路燈應(yīng)用上，相對而言大功率LED的光通量( lm)仍然有限，單管亮度還遠遠不夠，必須配置多個LED器件組成陣列。

圖9 LED封裝結(jié)構(gòu)的演變以及熱阻的變化趨勢。

對于架式功率型LED,因為單管光通量不足，只能集合多個LED元件組成LED陣列，分布焊接在PCB板上形成路燈用的發(fā)光板，以達到較高的光通量才能符合照明市場的需求。但是這種LED器件整個發(fā)光芯片是被聚脂塑料包裹，而聚脂塑料是一種熱的不良導(dǎo)體，所以其自身發(fā)出的熱量很難散失，因此也會很嚴重地制約功率型LED的發(fā)光效率。此外PCB 板也是熱的不良導(dǎo)體，從LED下部也很難散熱。

對于目前比較廣泛使用的普通貼片式LED、功率LED器件雖然單管光通量有所提高，但是單管光通量還是不能符合照明市場的需求，要制成實用的照明燈具，尤其是路燈照明，采取的技術(shù)方案與支架式LED相同，將發(fā)光器件陣列式焊接在PCB板上形成較大光通量的發(fā)光板。但是每個功率型的單管LED下部都有高導(dǎo)熱的熱沉層，散熱情況要好于架式的功率型LED.

但是這兩個方案有一個共同問題，由于器件數(shù)量比較多，使電路的設(shè)計比較復(fù)雜，而電路板自身的基板由熱的不良導(dǎo)體制成，燈具熱流散發(fā)不暢，很難與各種外部散熱手段(無論是主動散熱，比如加裝風扇式散熱器等，還是被動散熱，比如加裝散熱片等)兼容，影響了燈具的穩(wěn)定性和使用壽命，故障率相對較高。

為解決以上問題，可以采用COB技術(shù)對LED芯進行陣列式封裝，形成大的發(fā)光板。該組裝方式在形成光學微腔的封裝過程與單管大功率LED封裝方式完全相同，只是以陣列的方式將LED芯片固晶在一塊較大面積的敷有氧化膜絕緣層和電路層的高導(dǎo)熱復(fù)合材料基板上。如圖10和圖11所示，典型的高導(dǎo)熱復(fù)合材料襯底有美國Bergquist公司的T2Clad產(chǎn)品，德國Curamik覆銅陶瓷板DBC(Direct Bonded Copper)。使用成本更低廉的覆銅鋁基板也可以達到同樣的熱沉效果(鋁基板的氧化膜可承受1 000 V的靜電擊穿電壓)。

圖10 金屬覆銅板的結(jié)構(gòu)圖

圖11 DBC陶瓷基板示意圖

相對于前兩種技術(shù)方案來講，采用COB技術(shù)將大功率LED芯片陣列式封裝在復(fù)合材料線路板上有以下幾點好處：

從散熱管理的角度來講，雖然貼片式LED(Chip SMD LED) 、功率LED (Power LED)器件在芯片下裝有高導(dǎo)熱材料的熱沉層，但是從LED芯片依次向下有反射層、電路層、絕緣層、導(dǎo)熱材料組成的熱沉層，而各層之間粘合或多或少要使用一些不良的散熱材料，此外，目前常規(guī)方案中使用的電路板的基板也是熱的不良導(dǎo)體，因此對散熱也很不利。而高導(dǎo)熱復(fù)合材料是用共晶沖壓的方式制造的，電路層、絕緣層、導(dǎo)熱層之間結(jié)合緊密屬于原子級結(jié)合方式，因此其散熱率更是高于單管熱沉層的散熱率。

另外根據(jù)有限元分析軟件對功率型LED組件熱阻模型分析結(jié)果表明：對于采用高導(dǎo)熱熱沉的單管大功率LED的封裝方案，外加散熱基板面積的尺寸很大程度影響芯片的結(jié)溫，在空氣自然對流下，其直徑要大于20 mm才能使得LED芯片在120 ℃以下工作。而采用的COB 技術(shù)封裝的LED模塊，很容易實現(xiàn)將LED 芯片工作結(jié)溫控制在120 ℃以下。

實際上， COB封裝技術(shù)和高熱導(dǎo)率復(fù)合材料的結(jié)合，其優(yōu)勢更加體現(xiàn)在多芯片封裝上，如圖12所示，形成多芯片模塊組件，有利于提高LED單位封裝組件的散熱性能，同時增加單位組件的發(fā)光亮度。而且高導(dǎo)熱復(fù)合材料是電路與熱沉的合成體，結(jié)構(gòu)緊湊，在散熱的同時也解決了電氣連接的電路問題，并且由于電路層單面分布，可實現(xiàn)電熱性能分開，與外部制冷器能很好的兼容，外部制冷組件可以直接貼在板后，進一步降低工作溫度保證LED光源的可靠性和穩(wěn)定性。另外，采用COB封裝的制作工藝兼容于目前電路板制作流程，技術(shù)成熟可靠，可實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)。

圖12　陶瓷基板LED陣列

采用半導(dǎo)體新型COB技術(shù)封裝后，LED芯片直接封裝在基板的銅線路層上，不用象單個功率型LED器件那樣另外加工芯片熱沉、電極引線框架以及塑料外殼等，能簡化LED封裝工藝，縮短封裝流程，節(jié)約成本。

2. 4 以光線最佳歸一化為標準計算COB組裝的大功率白光LED 芯片陣列的芯片間距離

采用COB技術(shù)陣列式封裝大功率白光LED芯片制造路燈照明發(fā)光板時，芯片間的距離對陣列的出光效率和熱管理的影響也是一個很關(guān)鍵的因素。因為芯片工作過程中會不可避免的發(fā)熱，如果靠得過近，整個面板的中間的高熱區(qū)就會因為溫升過快而影響燈具的正常使用，一般有可能會發(fā)生偏色，更嚴重的后果可能就是由于溫度過高，散熱不暢而導(dǎo)致LED發(fā)光器件失靈，造成整個發(fā)光陣列的開路，影響燈具的使用壽命和穩(wěn)定性能。所以要避免這種不利的熱管理狀態(tài)。但是，如果距離太遠，則可能會使出光后由于各點LED光源射出后在被照場內(nèi)交叉覆蓋不足即光線歸一化不好而導(dǎo)致照明光強不均勻。

現(xiàn)在忽略芯片、封裝材料以及空氣三者之間界面的反射、折射以及全反射等光學現(xiàn)象。假設(shè)單芯片LED 光源為受限朗伯光源且為點光源，可表示為：

如果m = 1,那么LED光源就為完美的朗伯光源，考慮到實際情況，對于LED光源， m > 1.而且m依賴與半角度θ 1 /2 (由制造商給出，定義為光照度下降到零度角光照度的1 /2 時的角度) ,一般可由式(2)表示：

根據(jù)平方反比定律可知，在直角坐標系中，在某一點P ( x, y, z)的光照度可以表示為式(3) :

其中ILED =LLED ·ALED為LED的發(fā)光強度， LLED為LED芯片的亮度，單位cd /m2 ·sr, ALED為芯片的面積。

考慮只有兩個LED的組成簡單陣列情況，芯片之間的距離為d,那么兩個LED組成的陣列的光照度公式(4)為：

通過調(diào)節(jié)兩個芯片之間的距離d, 得到比較均勻的照明區(qū)域所示，通過對E求兩次導(dǎo)，使得在( x,y) = ( 0, 0)的位置d2 E /dx2 = 0,得到最大平坦條件：

對于N ×N 陣列的LED模塊：

當N 為奇數(shù)時，總的光照度公式(6)為：

當N 為偶數(shù)時，總的光照度公式(7)為：

計算各LED芯片間的距離的方法與兩管的計算方法相同。圖13為仿真模擬結(jié)果。當兩個點光源的距離為dmax時在坐標零點附近的照度是均勻的，否則將出現(xiàn)暗區(qū)。

圖13　LED雙芯片之間發(fā)光圖樣重疊(歸一化)分布示意圖( ( a) d = dmax , ( b) d > dmax )

3 大功率白光LED芯片陣列---路燈發(fā)光板的驅(qū)動與亮度調(diào)節(jié)技術(shù)

發(fā)光半導(dǎo)體屬于直流驅(qū)動元件，驅(qū)動方式有：

恒壓驅(qū)動有文獻也稱為電阻限流驅(qū)動方式和恒流驅(qū)動方式兩種。相比之下，恒流驅(qū)動PWM調(diào)亮方式來驅(qū)動大功率白光發(fā)光二極管要優(yōu)于恒電壓驅(qū)動調(diào)節(jié)工作電流方式來調(diào)節(jié)亮度的方式。

因為大功率白光發(fā)光二極管只有在特定的電流區(qū)間內(nèi)才能發(fā)出純正的白光，對照明場景內(nèi)的景物有最強的再現(xiàn)能力即演色性，但是這個電流范圍非常窄。LED 的響應(yīng)時間一般只有幾納秒至幾十納秒，適合于頻繁開關(guān)以及高頻運作的場合，因此可以方便地通過周期性的改變脈沖寬度，亦即控制占空比的方式來實現(xiàn)對LED亮度的調(diào)節(jié)，例如要將亮度減半，只需在50%的占空周期內(nèi)提供電流就可以實現(xiàn)了?？蛇x擇200~300 Hz的開關(guān)頻率來進行PWM亮度調(diào)節(jié)，這是因為人眼無法分辨超過40 Hz的頻率的變化， 但是太高的頻率又會引起白光顏色發(fā)生移位和亮度調(diào)節(jié)非線性， 恒流驅(qū)動PWM亮度調(diào)節(jié)方式是工作在某個特定的正向電流下， LED能顯示出最純的白光，不會象調(diào)節(jié)工作電流方式調(diào)節(jié)亮度那樣隨著工作電流偏離這個值，大功率高亮度白光LED發(fā)出的光會產(chǎn)生偏色現(xiàn)象。另外，大功率高亮度白光LED都是工作在大電流下，因此其在工作時必然會產(chǎn)生大量的熱量。隨著工作溫度的升高，LED器件的性能會降低，因此散熱對LED器件工作性能影響很大。在使用PWM控制方式時和脈沖平均電流和直流電流大小相等的情況時，LED器件會有更低的溫度，外量子率比較高，所以有更高的發(fā)光亮度，也更加節(jié)電。而且PWM方式使用控制電路實現(xiàn)起來也比較容易。

4 結(jié) 論

在LED路燈發(fā)光板設(shè)計過程中要保證大功率白光LED的發(fā)光效率和每個LED芯片光發(fā)射的適當交叉覆蓋。大功率白光LED 的發(fā)光效率與芯片設(shè)計、封裝方式、驅(qū)動方式、溫度等因素密切相關(guān)。為盡量提高大功率白光LED路燈發(fā)光板的電/光轉(zhuǎn)化效率，設(shè)計中從大功率白光LED發(fā)光芯片設(shè)計入手，采用增加發(fā)光芯片面積、電極優(yōu)化、發(fā)光芯片倒裝焊接在高導(dǎo)熱熱沉材料襯底、保型涂粉等技術(shù)，保證了大功率白光二極管最大電/光轉(zhuǎn)化率和所發(fā)出白光的均勻度。大功率白光LED畢竟屬于點光源，發(fā)光過程中熱量集中，并且當LED結(jié)溫超過120 ℃時將產(chǎn)生嚴重光衰和偏色。根據(jù)有限元分析軟件對單管大功率白光LED倒裝焊接封裝于高導(dǎo)熱熱沉層封裝模型的熱阻分析可知： 采用高導(dǎo)熱熱沉的單管大功率LED的封裝方案，外加散熱基板面積的尺寸很大程度影響芯片的結(jié)溫，在空氣自然對流下，其直徑要大于20 mm才能使LED芯片在120 ℃以下工作。而采用的COB 技術(shù)封裝的LED 模塊，很容易實現(xiàn)在空氣自然對流下將芯片工作結(jié)溫控制在120 ℃以下，并可與外部散熱技術(shù)良好兼容。在使用PWM控制方式時，當其脈沖平均電流和直流電流大小相等時， LED器件會有更低的溫度，外量子率比較高，所以有更高的發(fā)光亮度，也更加節(jié)電，而且控制電路實現(xiàn)容易。

根據(jù)本文對大功率白光LED各項技術(shù)性能的分析，以及對LED陣列光線歸一化數(shù)學模型的分析計算，設(shè)計試制了COB技術(shù)封裝的大功率白光LED路燈發(fā)光板和采用PWM驅(qū)動控制的太陽能LED路燈控制器。

實際驅(qū)動的實驗數(shù)據(jù)完全接近LED熱阻模型有限元分析的結(jié)果。在空氣自然對流狀態(tài)下很容易控制在120 ℃以下，與普通PCB板大功率白光LED 陣列發(fā)光板相比較，散熱溫度至少低15℃，在實際控制中溫度補償最高上限在85 ℃( ±5 ℃)即可。經(jīng)過連續(xù)半年的運行和實驗測試，與同樣光強的高壓鈉燈路燈相比，節(jié)能超過60%、光線歸一化均勻柔和、未發(fā)現(xiàn)光衰現(xiàn)象。對大功率白光LED 路燈發(fā)光板設(shè)計具有指導(dǎo)意義。