【深度分析】大功率白光LED路燈發(fā)光板與驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

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

　　基于LED照明的以上優(yōu)點(diǎn)，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(shí)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。

　　大功率白光LED路燈發(fā)光板設(shè)計(jì)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(lán)色LED管芯上加少量釔鋁石榴石為主的熒光粉，由藍(lán)光LED激發(fā)熒光粉發(fā)出黃光，與藍(lán)光混合發(fā)出白光；利用三基色原理將紅、綠、藍(lán)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(jìn)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(jìn)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(dòng)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(diǎn)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(huì)受到很大影響，超過一定溫度后，電/光轉(zhuǎn)化率會(huì)急劇下降，甚至器件因?yàn)闇囟冗^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(jí)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(kuò)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(huì)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(huì)進(jìn)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(xué)、光學(xué)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(gè)芯片在工作時(shí)的電流均勻地?cái)U(kuò)散分布。如果電流分布不均勻，往往會(huì)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(fù)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(gè)芯片分布的均勻性要比圖1（a）好。

圖1LED中不同電極結(jié)構(gòu)的電流擴(kuò)展分布　　可知對(duì)于大芯片LED，單獨(dú)一個(gè)電極設(shè)計(jì)是不利于電流擴(kuò)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(diǎn)狀結(jié)合的電極以及米字形的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。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(diǎn)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(jì)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(kuò)散，比起在絕緣透明藍(lán)寶石（sapphire）襯底上生長GaN基梳狀電極的LED芯片的橫向擴(kuò)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(duì)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