多芯片封裝大功率LED照明應(yīng)用技術(shù)

由于LED光源具有發(fā)光效率高、耗電量少、使用壽命長(zhǎng)、安全可靠性強(qiáng)，有利于環(huán)保等特性，近幾年來(lái)在城市燈光環(huán)境中得到了應(yīng)用。特別是在全球能源短缺的憂慮再度升高的背景下，LED在照明市場(chǎng)的前景更備受全球矚目。自04年起光宇公司投入大量技術(shù)力量參與LED技術(shù)研究，多年來(lái)形成一套具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大功率LED照明技術(shù)---多芯片封裝大功率LED照明技術(shù)。本文針對(duì)這一技術(shù)的特點(diǎn)，及采用這一技術(shù)獲得一些成果進(jìn)行描述。

一、技術(shù)背景

就目前情況來(lái)看，市場(chǎng)上LED單管功率通常在1-5W左右，光輸出僅幾百流明。要使LED真正大規(guī)模應(yīng)用于道路照明等公眾場(chǎng)所，LED光源的光通量必須達(dá)到幾千甚至上萬(wàn)流明，如此高的光輸出量是無(wú)法通過(guò)單顆芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為滿足如此高的光輸出要求，目前國(guó)內(nèi)外大多采用多顆LED（通常為1W）的光源組合在一個(gè)燈具中來(lái)滿足高亮度照明的要求，這種方式在一定程度上解決了單顆光源亮度不足的問(wèn)題。但是，這種工藝存在以下問(wèn)題：

1、燈具制作過(guò)程繁瑣，生產(chǎn)效率低、可靠性不高；

2、燈具的設(shè)計(jì)受單管LED排列數(shù)量和排布方式的限制，生產(chǎn)的燈具在外形美觀和保證性能方面難以兼顧

3、燈具的二次配光設(shè)計(jì)復(fù)雜，難以滿足各類(lèi)不同照明設(shè)計(jì)的要求，而且會(huì)造成燈具光效降低；

4、數(shù)百顆單管LED的連接同一燈具中，必須要求各單管的光電性能參數(shù)一致，否則會(huì)大大降低的燈具的光電性能和使用性能。

5、在使用過(guò)程中容易出現(xiàn)因局部故障導(dǎo)致的盲點(diǎn)，產(chǎn)生暗斑，增加維護(hù)成本。

為解決上述技術(shù)難題，我公司提出了“多芯片封裝大功率LED照明應(yīng)用技術(shù)”這一課題。

二、主要開(kāi)展的研究試驗(yàn)及成果

整個(gè)項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，主要從熱學(xué)、光學(xué)、結(jié)構(gòu)、材料及工藝等幾個(gè)方面展開(kāi)研究和試驗(yàn)工作，項(xiàng)目共設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出1-100W大功率LED光源及LED路燈、隧道燈、巷道燈、泛光燈、工礦燈、室內(nèi)照明燈六個(gè)系列的應(yīng)用產(chǎn)品，申報(bào)了12項(xiàng)國(guó)家專(zhuān)利其中發(fā)明專(zhuān)利3項(xiàng)。

1、散熱問(wèn)題的解決是該項(xiàng)研究課題解決的最為核心、最為關(guān)鍵和最基礎(chǔ)的工作。半導(dǎo)體器件PN結(jié)在常溫狀態(tài)工作時(shí)，理論壽命可以達(dá)到100，000小時(shí)以上。但是，由于目前LED芯片發(fā)展所處的技術(shù)階段，只能使輸入的30%左右的電能轉(zhuǎn)化光能，70%的電能仍然是以熱的方式存在于芯片上。而熱對(duì)半導(dǎo)體器件的損害是非常嚴(yán)重的，PN結(jié)結(jié)溫每升高10度，半導(dǎo)體器件的壽命就減少1倍。因此，如何將PN結(jié)產(chǎn)生的熱量及時(shí)傳導(dǎo)出去，使得PN結(jié)結(jié)溫保持在一個(gè)較低的水平是保證光源穩(wěn)定可靠工作的前提。

在解決散熱問(wèn)題過(guò)程中，我們采用的指導(dǎo)思想是整體式的、系統(tǒng)性的散熱解決方法：首先建立從芯片到外界環(huán)境的散熱模型；分析模型中影響傳熱的薄弱環(huán)節(jié)，針對(duì)這些環(huán)節(jié)提出需要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)和解決方案，優(yōu)化模型，完成整個(gè)方案設(shè)計(jì)。模型設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證模型的正確性，之后針對(duì)已發(fā)現(xiàn)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行針對(duì)性的技術(shù)攻關(guān)。具體的攻關(guān)項(xiàng)目包括：高性能導(dǎo)熱材料的研制、光源支架的設(shè)計(jì)、新工藝的探索和完善。經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)和探索，成功地解決了制約大功率半導(dǎo)體照明發(fā)展的散熱問(wèn)題，取得以下成果：

（1）設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了多款光源支架，有兩款光源支架申報(bào)了國(guó)家專(zhuān)利，并獲授權(quán)，授權(quán)專(zhuān)利號(hào)為ZL200630125051。3，ZL200630125053。2。成功封裝出LED光源功率可達(dá)100W，50WLED光源的光效可達(dá)100lm/W。

（2）上述光源導(dǎo)熱出光性能完善的基礎(chǔ)上，采用整體式的、系統(tǒng)性的散熱設(shè)計(jì)理念，進(jìn)行燈具散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。研究出了導(dǎo)熱絕緣的界面填充材料，減小LED支架與燈具散熱體之間的熱阻；很好的解決了燈具的散熱問(wèn)題，并建立LED和燈具老化測(cè)試系統(tǒng)，考慮可能影響燈具可靠性的相關(guān)因素進(jìn)行研究和試驗(yàn)，尋找出了影響燈具可靠性和壽命的機(jī)理。經(jīng)過(guò)22，633hrs壽命測(cè)試顯示，50W大功率LED路燈光衰4。53%圖1為50WLED路燈光衰曲線圖。

圖150WLED路燈光衰曲線圖

（3）完成光源設(shè)計(jì)、燈具散熱設(shè)計(jì)后，根據(jù)光源的特點(diǎn)及所需場(chǎng)所對(duì)燈具配光的要求，采用目前世界流行的配光設(shè)計(jì)思路，利用先進(jìn)光學(xué)設(shè)計(jì)模擬軟件，設(shè)計(jì)出所需配光器的結(jié)構(gòu)，同時(shí)模擬出光狀況，進(jìn)而反復(fù)修正配光結(jié)構(gòu)，獲得所需的光學(xué)結(jié)構(gòu)。開(kāi)發(fā)出適合該封裝方式光源的配光器，在完全滿足道路、隧道、遠(yuǎn)距離等復(fù)雜照明場(chǎng)所對(duì)光源配光曲線的要求的基礎(chǔ)上，更加合理、充分的利用了光源發(fā)出的光線，使得燈具的整燈出光效率大大提升。整體燈具的出光效率可達(dá)71。96lm/W，圖2為大功率LED路燈配光曲線。

圖2大功率LED路燈配光曲線

（4）完全掌握了LED應(yīng)用產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵技術(shù)和工藝，形成了系列化、多樣化的半導(dǎo)體照明應(yīng)用產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)出滿足各種室內(nèi)照明、道路照明、隧道照明、泛光照明、高桿照明、廠礦照明等場(chǎng)所的半導(dǎo)體照明燈具，已應(yīng)用于多個(gè)照明領(lǐng)域，表1為臨汾市鑄鋼路現(xiàn)場(chǎng)照度測(cè)試報(bào)告。

從表中可以看到：主桿道的平均照度達(dá)29。01lx，均勻度0。58，人行道平均照度15。4lx，均勻度0。82，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CJJ45-2006《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

三、結(jié)語(yǔ)

多芯片封裝大功率LED照明應(yīng)用技術(shù)，成功開(kāi)發(fā)出功率為1W~100W的光源，單顆光源光輸出量超過(guò)8000lm，光效大于100lm/W經(jīng)22，633小時(shí)實(shí)際測(cè)試，光源光通維持率仍然保持在95%以上，光源穩(wěn)定性高；的光源；并開(kāi)發(fā)出了適合于面光源，且滿足道路照明的配光器并成功實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化，目前LED路燈、投光燈、隧道燈、工業(yè)企業(yè)照明燈、室內(nèi)照明燈已批量生產(chǎn)，產(chǎn)品性能行業(yè)領(lǐng)先，這對(duì)LED應(yīng)用于普通照明領(lǐng)域起到了至關(guān)重要的作用。