基于提高LED光源耐溫性能的實驗探討(三)

前言

　　半導(dǎo)體照明是本世紀(jì)一場技術(shù)革命，從技術(shù)成熟角度看它還是個嬰兒，雖然LED大功率白光技術(shù)發(fā)展很快，然而LED光衰、散熱、成本這三個與生俱來的痼疾仍然是LED照明普及發(fā)展的攔路虎。LED光衰、散熱貫穿了從芯片制造、封裝制程、材料選擇、燈具開發(fā)整個產(chǎn)業(yè)鏈，目前業(yè)界對光衰的概念、產(chǎn)生的原因以及如何解決還認(rèn)識不足，理論尚無權(quán)威解釋，國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)難以出臺，以致出現(xiàn)人云亦云、你抄我搬稀奇古怪的技術(shù)亂象，長期以來人們拼命圍繞用散熱方法來減少LED光衰，然而見效甚微。解決LED光衰成為業(yè)界共同關(guān)心、翹首以待的技術(shù)難題,人們不禁要問：設(shè)計師為何不另辟蹊徑從源頭深入尋找LED光衰原因？筆者對提高LED光源的耐溫特性可減少LED光衰從理論和實踐進(jìn)行了深入探討，將陸續(xù)推出相關(guān)文章和實驗報告。

　　關(guān)鍵詞

　　LED光效、LED熱阻、LED光衰、WFCOB光源、LED模組照明燈

　　目錄

　　第一章

　　一、 LED光效：區(qū)分瞬態(tài)光效和穩(wěn)態(tài)光效的意義

　　二、 LED熱阻：區(qū)分光源內(nèi)部熱阻和光源外部熱阻的意義

　　三、LED光衰：光衰是光源部件超過耐溫極限不可逆的損傷現(xiàn)象。

　　第二章

　　一、提高LED光源的耐溫特性可減少LED光衰

　　二、為何要提高LED光源的耐溫度特性

　　三、如何讓LED光源耐受高溫

　　第三章

　　一、倒裝芯片無封裝技術(shù)

　　二、集成COB封裝技術(shù)

　　三、驅(qū)動電源技術(shù)

　　第四章

　　介紹一種WFCOB光源

　　第五章

　　介紹一種LED模組照明燈

　　第三章

　　一、倒裝芯片無封裝技術(shù)

　　近來，倒裝芯片、無封裝技術(shù)在業(yè)界引起廣泛熱議，因為傳統(tǒng)正裝工藝遇到散熱、光衰等技瓶頸 。 倒裝芯片、無封裝技術(shù)早在10年前國外各大公司投巨資研究，旨在免用襯底膠、晶粒直焊技術(shù)，不僅可以有效降低封裝熱阻，還徹底免除了正裝芯片在表面打線諸多弊端，讓光源耐受高溫、延長LED使用壽命。業(yè)界普遍認(rèn)為這絕對是封裝領(lǐng)域的前沿技術(shù)。但是人們要問：經(jīng)過這多年研究實驗，為何倒裝技術(shù)遲遲不能取代正裝芯片技術(shù)而成為主流？其根本原因是：倒裝工藝不僅依賴陶瓷基板，還要依賴鋁 (銅)基板，陶瓷基板加工成型和安裝卻都不如金屬基板簡單方便，由于（兩次）過錫焊要經(jīng)受280度高溫，難免對材料和部件造成損傷。陶瓷基板和金屬基板相比反光率不高，瞬態(tài)光效難以提高，陶瓷基板的導(dǎo)熱率和芯片接觸面積有限也限制了其穩(wěn)態(tài)光效難以提高。倒裝工藝兩次過錫焊和陶瓷基板 +鋁基板雙重?zé)嶙枳阋詫⑸鲜鰞?yōu)勢抵消怠盡。另外，倒裝工藝的熱壓焊、回流焊等設(shè)備要求極高，良率不穩(wěn)。從終端用戶的角度分析，一款好的LED器應(yīng)具有更佳照明品質(zhì)，更高照明性能、更低系統(tǒng)成本以及更快的投資回報。考驗倒裝技術(shù)未來前途還是（LM元）值。品質(zhì)第一，價格為王，所以造成了用戶觀望，產(chǎn)品推廣困難的尷尬局面。

　　二、集成COB封裝技術(shù)

　　從某種意義講，LED封裝核心技術(shù)應(yīng)該是封裝支架研發(fā)和制造技術(shù)，它決定LED光源的用途、功能及性價比。有實力的公司都在努力尋求利用封裝支架解決LED的散熱、光效、壽命、成本這一課題。

　　COB封裝與單芯片封裝相比在光強(qiáng)、散熱、配光、成本等方面顯露出許多優(yōu)點(diǎn)，被越來越多的人認(rèn)為是未來LED發(fā)展方向。目前傳統(tǒng)的COB光源是支架是用鋁(或銅)基板將FR4纖維板經(jīng)過壓合工藝成為一體。國產(chǎn) FR-4 半固化片,導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.3/m-K，進(jìn)口最好的只有2.0 /m-K左右，而純鋁導(dǎo)熱系數(shù)為237 /m-K, 兩者相差一百多倍，如此大的熱耗比，必然增大系統(tǒng)熱阻，造成嚴(yán)重的LED光衰，降低使用壽命，于是人們絞盡腦汁設(shè)法革除鋁基板這層絕緣纖維，然至今尚無找到有效方法，如一些大公司設(shè)計了所謂“LMCOB支架”(在鋁基板挖凹去掉銅皮和絕緣層) ，然而限于設(shè)備、凝膠、工藝及成本等原因，尚未推廣普及。還有，目前市場廣為流行所謂“集成光源”支架，采用注塑料工藝將電極板鑲嵌在PPA(或目前正在推崇的EMC)塑料之中，由于PPA在高溫和紫外線照射下會變黃粉化，造成透氣進(jìn)水，產(chǎn)品失效率很高，這種結(jié)構(gòu)因電極板高于芯片1.5mm，其熒光粉和凝膠用量很大, 不僅會增加封裝成本，膠體過厚也會影響透光，還會硬化龜裂拉斷金線。目前所有COB支架毫無例外都要設(shè)圍壩結(jié)構(gòu)，以阻擋熒光混合膠不使其外溢, 由于圍壩膠和表層白油吸光，不能實現(xiàn)光源鏡面光反射，以上多種原因都會影響出光強(qiáng)度和傳熱受阻，這是造成傳統(tǒng)COB光源的瞬態(tài)光效和穩(wěn)態(tài)光效難以提高的主要原因。

　　三、驅(qū)動電源技術(shù)

　　1.集成光源基板和鋁基板完全沒必要做到3750V耐壓

　　在LED系統(tǒng)設(shè)計中，最常見的問題是如何選擇驅(qū)動電源，而實際上LED失效或損壞，驅(qū)動電源占據(jù)相當(dāng)高的比例，驅(qū)動電源的可靠性及壽命成了LED照明技術(shù)短板。

　　LED照明屬通用電子產(chǎn)品必須要通過國家相應(yīng)的安全標(biāo)準(zhǔn)，即LED燈具外殼與人體接觸不會構(gòu)成觸電危險。一般而言LED驅(qū)動有非隔離設(shè)計和隔離型；非隔離電源使用較少的元器件并擁有較高的效率，但限于外殼絕緣產(chǎn)品中使用，例如LED燈泡，其中LED和驅(qū)動器都集成并密封在絕緣塑料中，以便讓最終用戶沒有觸電的危險。隔離LED驅(qū)動電源帶有隔離變壓器，意味著高電壓與次級的LED相互隔離，可以用手直接接觸而不會觸電。與非隔離電源相比隔離電源體積較大、效率較低、成本較高。

　　不少人(包括專家教授)認(rèn)為LED光源(引腳)對地耐壓應(yīng)大于安規(guī)電壓(3750V) 亦即鋁基板和陶瓷基板對散熱器耐壓必須達(dá)到安規(guī)要求，其實這是認(rèn)識誤區(qū), 缺乏電學(xué)識，實驗測試表明LED芯片襯底通過銀膠固封后其電極對地(基板)擊穿電壓只有300V左右，LED芯片襯底耐壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到安規(guī)要求，這種情況必須使用隔離電源。既然使用隔離電源鋁基板完全沒必要做到3750V耐壓，更沒有必要留出所謂 “爬電距離” 。作為最終用戶無論采用非隔離電源或隔離電源都完全沒有必要要求鋁基板達(dá)到3750V絕緣耐壓，因為非隔離電源的輸入端與負(fù)載是等電位，更沒必要要求鋁基板通過安規(guī)電壓壓，鋁基板耐壓越高其層間絕緣越厚,成本越高、熱阻越大。實踐證明，目前COB鋁基板大多采用熱電分離封裝結(jié)構(gòu)，(芯片直接邦定到基板上) 已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，市場到處都有，足以證明這一理論分析實用可行。

　　2、LED驅(qū)動電源可否用液冷技術(shù)解決這塊短板

　　LED壽命可達(dá)數(shù)萬小時，然而目前與之相配套的驅(qū)動電源尚不能滿足這個要求。在LED照明產(chǎn)品中，失效是一個常見現(xiàn)象，大多數(shù)是因為電源的失效，由于許多LED照明應(yīng)用電源封閉在一個很小的空間里，通風(fēng)散熱成為主要技術(shù)瓶頸，如果沒有仔細(xì)的熱設(shè)計，LED和電源驅(qū)動電路很容易因為高溫而退化或永久失效。導(dǎo)致LED驅(qū)動電路壽命達(dá)不到要求的關(guān)鍵元件是電解電容器，目前國內(nèi)大多數(shù)電解電容器制造的電解電容器規(guī)定壽命一般為105℃/2000小時，這就是說在105℃的溫度條件下的使用壽命只有84天，即使降低到85℃，使用壽命也僅僅為332天，還不到一年！遠(yuǎn)不能滿足LED驅(qū)動要求，為何電解電容器有耐溫局限？其原因是電解電容的電解液需要“水合”工藝制造，鋁電解電容器為了實現(xiàn)極低的ESR，最簡單的辦法就是提高電解液的含水率，水的沸點(diǎn)約100度，含水率高導(dǎo)致電解液在高溫下蒸發(fā)"干枯"而失效。電容器制造商絞盡腦汁抑制高含水率電解液的“水合”反應(yīng)，電源生產(chǎn)商也曾用灌膠密閉工藝來解決電容器失效，然仍不徹底。

　　筆者將驅(qū)動電源浸泡在密閉散熱器腔內(nèi)冷卻液中實驗, 由于密閉腔內(nèi)電解電容體內(nèi)外壓力差很小，不僅減小了電解電容的爆炸，也避免了蒸發(fā)"干枯"。由于免去灌注粘膠，還避免粘膠應(yīng)力對元器件的拉傷、不易維護(hù)等弊端。密閉結(jié)構(gòu)可提高防水等級(最高可達(dá)IP68)有效地延長了電源使用壽命。

　　結(jié)語

　　半導(dǎo)體照明是一場技術(shù)革命，新技術(shù)問世它始終需要一個過渡，必然經(jīng)歷長期改革，從產(chǎn)業(yè)鏈看主要是LED芯片技術(shù)、封裝技術(shù)、電源技術(shù)等都存在諸多技術(shù)難題，有些難題解決尚需時日，如材料、設(shè)備及配套技術(shù)。有些難題簡單而無人問津，如鋁基板耐壓問題還被外行忽悠。僅管如此LED快速發(fā)展取代傳統(tǒng)照明已成必然，人們對LED未來有更高的期盼：將芯片封裝到如同集成電路、無打線、無散熱器、無驅(qū)動電源、長壽命、低成本目標(biāo)定會實現(xiàn)。