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解析溫度對(duì)大功率LED照明系統(tǒng)光電參數(shù)的影響

作者: 時(shí)間:2013-12-12 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

近年來,LED技術(shù)得到迅猛發(fā)展,其在信號(hào)指示、照明、背光源、顯示等方面得到廣泛的應(yīng)用。隨著芯片技術(shù)的提高,LED已經(jīng)進(jìn)入的時(shí)代?,F(xiàn)在1W級(jí)的LED正被照明行業(yè)使用,并顯示出了光明的前景。LED功率及光效的提高,使得LED燈具代替?zhèn)鹘y(tǒng)照明方式成為可能。發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的芯片,在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過渡層,稱為p-n結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的p-n結(jié)中,注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來,從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能,LED就是利用注入式電致發(fā)光原理制作的。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/221926.htm

  由于目前LED量子效率低,在工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱,LED的熱效應(yīng)尤為明顯。如果這些熱量不能及時(shí)的散發(fā)出去,就會(huì)使LED中p-n結(jié)的(結(jié)溫)迅速升高,導(dǎo)致芯片載流子有效復(fù)合幾率下降,出射光子的數(shù)目減少,取光效率降低,還會(huì)使得LED芯片的發(fā)射光譜發(fā)生紅移,這對(duì)利用藍(lán)光激發(fā)YAG發(fā)光粉來取得白光的系統(tǒng)是非常不利的,因此LED的散熱成為技術(shù)發(fā)展的重大課題,解決系統(tǒng)的散熱問題迫在眉睫。

  COB技術(shù)是裸芯片貼裝技術(shù)之一,半導(dǎo)體芯片貼裝在印刷線路板上,芯片與基板的電氣連接用引線縫合方法實(shí)現(xiàn)。在大功率LED燈具制造過程中,通常的做法是利用COB的方法將LED芯片封裝在鋁質(zhì)或者銅質(zhì)基板上,利用自動(dòng)焊線機(jī)將芯片與基板上的電路連接,再將基板與外部電路連接在一起?;骞潭ㄔ阡X質(zhì)散熱器上將熱量散發(fā)出去。因此,散熱器質(zhì)量的好壞直接影響著LED燈具的壽命、效率和出光質(zhì)量。

  對(duì)于制造性能可靠,高亮度LED系統(tǒng),熱管理是一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。解決LED照明系統(tǒng)的散熱問題,必須預(yù)先知道對(duì)大功率LED照明系統(tǒng)的光電參數(shù)的影響。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)LED芯片的熱阻方面做了大量的研究,但對(duì)于商用照明的白光LED的散熱方面的研究卻很少。本文就照明用大功率白光LED燈具中,光源光通量、電學(xué)參數(shù)等光電參數(shù)受的影響做出分析。  測(cè)試系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)

  1.實(shí)驗(yàn)選材與儀器

  本文采用的是1W×3串聯(lián)封裝的白光LED照明模塊,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。芯片選用臺(tái)灣晶元光電制造的45mil藍(lán)寶石襯底InGaN芯片。發(fā)光粉為弘大所生產(chǎn),與道康寧硅膠以一定比例混合制成發(fā)光粉涂層。導(dǎo)熱膏選用TIG78040型導(dǎo)熱膏,其熱導(dǎo)率為4.0W/mK?;宀馁|(zhì)為鋁質(zhì)。選取4只不同規(guī)格的鋁合金(6063)圓柱形鰭片

  散熱器,編號(hào)為1-4號(hào),其中1號(hào)散熱器經(jīng)過氧化處理,2-4號(hào)散熱器未經(jīng)過氧化處理。規(guī)格分別為Φ30mm×H47mm,Φ53mm×H30mm,Φ45mm×H54mm,Φ44mm×H64mm。利用杭州遠(yuǎn)方光電生產(chǎn)的PMS-50plus紫外-可見-近紅外光譜分析系統(tǒng)記錄光電參數(shù)。并用杭州威博科技制造的TC-2008多路溫度測(cè)試儀記錄溫度。

解析溫度對(duì)大功率LED照明系統(tǒng)光電參數(shù)的影響   

圖1通用照明LED模塊結(jié)構(gòu)示意圖

  2.實(shí)驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)采集

  將LED光源安裝在散熱器上,把TC-2008多路溫度測(cè)試儀的熱電偶安裝在散熱器內(nèi)部以測(cè)量散熱器的溫度,測(cè)試點(diǎn)為鋁質(zhì)散熱器與基板相接處。將上述裝置安裝好后放入積分球,利用350mA恒流電源驅(qū)動(dòng),以10s為周期記錄溫度與光電參數(shù)。測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。在穩(wěn)恒電流驅(qū)動(dòng)下的LED模塊,熱量由能夠很好的滿足散熱要求的鋁基板傳輸?shù)仅捚崞魃?,再依靠鰭片散熱器散發(fā)出去。LED模塊工作時(shí)散熱器溫度會(huì)迅速升高,連接在一起的TC-2008多路溫度測(cè)試儀會(huì)記錄散熱器溫度的瞬時(shí)值,同時(shí),PMS-50光譜分析系統(tǒng)會(huì)記錄下相應(yīng)的光電參數(shù)。

 解析溫度對(duì)大功率LED照明系統(tǒng)光電參數(shù)的影響

 圖2LED光電參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

  結(jié)果與分析

  1.溫度對(duì)光通量的影響


對(duì)于正裝大功率LED,芯片側(cè)表面和上表面散熱能力差,熱量絕大部分是依靠熱傳導(dǎo)將熱量傳到散熱器,利用散熱器的對(duì)流將熱量散掉。因此,LED散熱器質(zhì)量的好壞直接影響著LED中p-n結(jié)的溫度,LED的衰減主要取決于結(jié)溫。


所以,設(shè)計(jì)和使用合理的散熱器對(duì)于降低大功率LED的光衰有著重要的意義。如圖3所示,以350mA電流驅(qū)動(dòng)LED光源,其溫度會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)迅速上升,并且維持在熱平衡溫度上。其原因主要是由于LED開始通電時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,但芯片和散熱基板間的熱界面材料(TIM)的熱導(dǎo)率很低(4.0W/mK),這些熱量傳到散熱器上需要一定的時(shí)間,所以會(huì)有一段溫度急劇上升的曲線,當(dāng)基板和散熱器溫度相同時(shí),就達(dá)到了一種熱平衡狀態(tài)。此時(shí),基板和散熱器的溫度不再變化,并將維持下去。這一熱平衡溫度取決于散熱器的形狀和大小,如圖所示,四只散熱器樣品達(dá)到熱平衡狀態(tài)的時(shí)間和最后的溫度是不同的,其熱平衡溫度分別為59.8,49.0,47.4,44.4℃。


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