高效無金屬散熱器LED照明燈節(jié)能技術解析

LED照明具有光效更高、壽命更長；不含有害物質汞；使用壽命與燈的開關次數(shù)幾乎無關、可提倡“隨手關燈”；可以瞬間起亮等突出優(yōu)點，被認為終將替代白熾燈和節(jié)能燈，成為節(jié)能照明的主流。實際上，只有在LED燈的性價比全面超過白熾燈、特別是超過目前廣泛使用的節(jié)能燈后才能成為通用照明燈的主流。

　　而LED照明的課題看起來十分明確，即在保證光質量的前提下光效需要大幅提高，例如比節(jié)能燈高一倍以上；價格需要大幅下降，最好接近節(jié)能燈；使其性價比明顯優(yōu)于節(jié)能燈。

　　目前的LED通用照明燈大多由功率型LED加金屬散熱器和恒流驅動電路構成。笨重的金屬散熱器不僅增加了燈的成本和重量，同時要消耗大量鋁資源，有悖環(huán)保。一個LED燈就像一個金屬球，不利于安全，特別是大功率LED燈。因此，目前不少消費者購買時還是選擇節(jié)能燈。

　　本文將結合筆者所在公司的研發(fā)工作介紹一種LED 4π出光的高光子提取率、高效率、無金屬散熱器的LED通用照明燈(可以直接替換白熾燈和相當光通量的熒光節(jié)能燈的LED照明燈)技術。

　　該LED通用照明燈的整燈發(fā)光效率比熒光節(jié)能燈高一倍以上；顯色指數(shù)可高達96；可制造光通量為幾十至1600 lm和更高光通量的LED通用照明燈，L70壽命可達30000小時。可直接替換10～100W和更大功率的白熾燈和相當光通量的熒光節(jié)能燈。

　　一、LED芯片4π出光、提高PN結光提取率和實際光效

　　白光LED發(fā)光過程的能效η為：

　　η =ηI ×ηO × ηC ×K

　　其中，ηI ：內量子效率；ηO：外量子效率；ηC：光子下轉換損失；K：發(fā)光粉吸收。

　　有人分析，在理想情況下，ηI = 0.95；ηO = 0.5；ηC = 0.875；K =0.95，因此，最高理想的能效η=39.5%。這里的外量子效率ηO 指的是光子在出射過程中被芯片、窗口材料，熒光粉及透鏡等沿途吸收或在不同折射率介質界面反射回芯片內部再被吸收等的結果，即LED元件的光提取率。若按3500K暖白色光的光功當量為320 lm/W計算，則最高光效為320×0.395=126 lm/W。這顯然是被低估了。但由此我們可以看到提高LED光效的一個重要并有巨大潛力的因數(shù)是提高光提取率。

　　LED的光來自LED芯片的PN結，其發(fā)光原本是4π立體角全方位均勻出射的自然光，但目前幾乎所有的LED元件都是≤2π出光的。

　　LED的應用從初期的指示燈到數(shù)碼顯示和目前的彩色大屏幕顯示、液晶顯示的背照明等，在這些應用中，需要把原本是4π出射的光用反射碗和透鏡等聚集向前方、即轉變?yōu)椤?π出射的光，包括直插式、草帽式、表面貼(SMD)和COB等；這樣的變換對于這些應用是需要的，也是正確的。

　　不過，這樣的變換讓芯片原本向后發(fā)射的光聚集向前方，將明顯降低PN結發(fā)射的光的提取率，即降低了LED的實際有效光效，這對于并不一定要求≤2π出光的LED照明，并不是必需的。如果讓LED芯片4π出光，將可明顯提高LED PN結產生的光子的提取率、即提高LED的實際光效。

　　圖1是目前大量使用的SMD式LED的光出射示意圖。LED芯片被安裝在光反射碗的底部，反射碗內有光出射面為平面或曲面的透明介質(圖1中為平面的例子)。

　　芯片PN結向上發(fā)射的2π立體角光(以藍色表示)的一部分可直接從光出射窗出射，另一部分光經透明介質表面全反射后經反射碗反射或直接經反射碗反射后出射。其中，直接出射光約為2π[1-cos(sin-1(1/1.5)]/2π=25%，這里我們設透明介質的折射率為1.5，經反射碗反射后出射的光占75%，設反射碗反射率為0.75，若不計反射碗多次反射和透明介質的吸收損失，則總光提取率為(25+75×0.75)%=81%?！　?span id="pz7gedd" class="hrefStyle" style="word-break: break-all; ">LED芯片向下發(fā)射的2π光(以紅色表示)，要經過芯片背鍍反射膜、反射碗底、反射碗壁的反射、多次反射、多次碗底和壁的吸收，估計出射率約為60%(取決于反射碗壁和底、電極表面、電極之間介質面、固晶膠等的反射率)。

　　因此，LED芯片光的總提取率=(0.81+0.6)2π/4π=71%，即約30%的光被LED元件吸收而變?yōu)闊崮堋?/p>

　　圖2是LED芯片4π出光的示意圖。其中LED芯片為芯片基板是透明的芯片，至少一串相互串聯(lián)或串并聯(lián)的芯片被用透明膠固定在一個LED發(fā)光元件的透明基板上，芯片上覆有透明介質層或發(fā)光粉膠層。

　　若芯片基板為藍寶石，藍寶石上的外延層和PN結為GaN，P電極為ITO，LED元件透明基板為玻璃，透明介質為硅膠，它們的折射率分別為1.77、2.4、1.8、1.45、1.5，由圖2可見，離開LED芯片PN結向上和向下發(fā)射的各半球2π的光都可以順利出射，藍寶石基板內部基本上沒有多次反射吸收，若不計介質吸收，LED芯片的光幾乎可100%出射。

　　即4π出光的LED元件的實際發(fā)光效率要比SMD式LED高約(100-71)/71=41%。我們的實驗結果基本與此相符。

　　可見，讓LED芯片4π出光可提高LED元件的實際發(fā)光效率約40%，同時減少LED的發(fā)熱量?？紤]到現(xiàn)有LED元件的不同結構，4π出光應可比≤2π出光的光效高30%以上。

　　其實這個概念幾乎所有LED工作者早就知道，但沒有能實用，其關鍵是沒有能解決LED芯片的散熱問題。

　　二、氣體散熱分析

　　要讓LED芯片4π出光，芯片四周必須是高透光率而且可散熱的透明介質。人們很容易首先想到的是用液體散熱，因為透明介質中、液體的導熱率一般都比氣體要高得多。例如水的導熱率為0.5 W/(m·K)，是空氣導熱率0.025的20倍。

　　十多年來一直有人在研究用液體散熱來達到LED芯片4π出光，但液體散熱仍有一些難以克服的困難，例如，液體的粘滯系數(shù)比氣體大很多，水的粘粘滯系數(shù)為8937μP，是空氣的10倍，是氦的77倍，高粘滯系數(shù)導致LED芯片周圍很容易因為芯片發(fā)熱使液體相變氣化，而產生的氣體因為液體的高粘滯系數(shù)而難于跑掉，芯片容易被靜止的氣體包圍，而任何靜止的氣體都是良絕熱體，因而容易使芯片過熱而燒毀。此外，還有液體容易電解、侵蝕芯片和發(fā)光材料、泡殼破碎后的污染等問題，至今還沒有很好的實用產品。

　　氣體與液體相比，雖然導熱率低，但粘滯系數(shù)比液體小的多，容易形成氣體對流，有效地把LED工作時產生的熱帶走散發(fā)掉，從而獲得良好的散熱效果。

　　初期，人們把LED芯片安裝在條狀或平板型透明基板上，在空氣中工作，利用空氣散熱。但由于空氣的導熱率低、粘滯系數(shù)高，難以有效散熱。若LED芯片安裝在一個平板上，則熱量集中更不利于散熱，因此難以制成光效高，又能足夠輸出光通量的LED燈。例如，Ushio的LED燈絲燈，輸出光通量僅36 lm，光效僅60 lm/W。又如松下的LED芯片安裝在一透明平板上的空氣散熱的LED燈泡，輸出光通量為210 lm，光效為47 lm/W。這些LED芯片4π出光的LED燈泡的光效反而低于用現(xiàn)有≤2π出光的LED元件制成的LED燈，現(xiàn)有LED芯片出光角≤2π的A19形球泡燈的效率為40～90 lm/W，其原因在于沒有解決LED芯片的有效散熱問題，致使LED芯片的PN結溫升高、光效低，輸出光通量小。

　　筆者所在的公司有效地解決了4π出光芯片的散熱問題，其方案是：把至少一串相同或不同發(fā)光色的LED芯片用透明膠分散固定安裝在一個透明基板條上，芯片和透明基板條四周有至少一層透明膠層或發(fā)光粉層；透明基板二端有電引出線，制成LED發(fā)光條(或稱LED燈絲)；所述LED發(fā)光條被安裝在一個真空密封的透光泡殼內，泡殼內充有高導熱率、低粘滯系數(shù)的傳熱并保護LED的氣體；LED的電極經真空密封泡殼的芯柱的引出線引出，經LED驅動器與一電連接器連接，電連接器用于連接外電源，制成一個外形與白熾燈相似、高光效、無金屬散熱器的LED燈絲燈，可直接替換白熾燈和節(jié)能燈。

　　現(xiàn)已制成了整燈光效高達170 lm/W的A19型LED燈泡；其輸出光通量可達760 lm；顯色指數(shù)(CRI)可達96。最近該公司實驗室已制成色溫5000K、CRI為71，光效高達193 lm/W的A19燈。其光效比節(jié)能燈高一倍以上。從而使LED 4π出光、無金屬散熱器的LED燈泡進入了實際使用時代。圖3是銳迪生4條LED發(fā)光條串聯(lián)的LED燈絲燈示意圖?！　「邔崧实驼硿禂?shù)的氣體優(yōu)選氦或氦氫混合氣。氦的導熱率為0.14 W/(m·K)，是空氣的6倍，粘滯系數(shù)僅194μP，是空氣的1/8；氫的導熱系數(shù)為0.15，粘滯系數(shù)為87.6，且成本低，但使用欠安全；為降低成本，可用氦氫混合氣。高導熱率低粘滯系數(shù)氣體容易形成有效的對流散熱，可以把LED芯片工作時產生的熱很快帶走，傳遞給燈泡的泡殼，再經泡殼到周圍空氣散發(fā)掉。

　　其次，采用導熱率較高的發(fā)光條透明基板，例如用硬玻璃、石英玻璃、藍寶石、透明陶瓷、AlN等。同時要采用導熱率高、透光率高的固晶膠和發(fā)光粉膠，并盡可能減小它們的厚度，還要盡量增加透明基板和發(fā)光粉膠與散熱氣體的接觸面積，以降低LED的PN結到散熱氣體的熱阻。所述至少一層發(fā)光粉層可被涂覆在透明基板和LED芯片四周，例如涂覆在發(fā)光條有LED芯片和無芯片二面，或僅在有芯片一面，也可以先在透明基板上涂覆一層發(fā)光粉層，LED芯片被固定在該發(fā)光粉層上、芯片電連接后再涂覆一層發(fā)光粉層。

此外，還可以把發(fā)光粉涂覆在燈泡泡殼的內壁上，發(fā)光條的LED芯片上僅有一層透明膠，發(fā)光粉遠離芯片，有利于減小光衰，增加燈的