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航空障礙燈LED固態(tài)光源的散熱改善方式

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• 發(fā)布時(shí)間：2014-04-01
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 LED固態(tài)光源的運(yùn)作溫度如何有效散逸，會(huì)影響整個(gè)光源應(yīng)用的照明效能、裝W壽命、能源利用效能等重要關(guān)鍵，而改善散熱的方式可自品片層級(jí)的技術(shù)、電路板層級(jí)的技術(shù)、封裝LED品粒的技術(shù)去改善。由于傳統(tǒng)的晶片制法，在晶片層級(jí)的散熱處理方面，多以藍(lán)寶石作為基板進(jìn)行設(shè)計(jì)，而藍(lán)寶石基板的熱傳導(dǎo)系數(shù)接近20W/mK.其實(shí)很難將LED'"'磊晶產(chǎn)生的熱快速散出，在針對(duì)LED晶片級(jí)的散熱強(qiáng)化處理，尤其是針對(duì)高亮度、高功率的航空障礙燈LED元件方面.目前主流的作法，是有效利用KI品將磊晶的熱傳導(dǎo)出來，即使用授晶(Flip-Chip)的形式。另外的方式，因航空障礙燈LED元件上下兩端都設(shè)有金屬電極，可采行“垂直”電極的方式去制作LEI)元件，此可在散熱的問題上得到更大的助益。例如，GaN墓板為導(dǎo)電材質(zhì)，采用GaN基板作為材料，基板下方可直接做電極進(jìn)行連接，即可得到快速散逸磊品溫度的效益，但這種作法會(huì)比傳統(tǒng)藍(lán)寶石基板作法的成本貴上許多，因?yàn)椴牧铣杀据^高，元件的制作成本亦會(huì)增加。對(duì)封裝層級(jí)的散熱強(qiáng)化作法，LED制作過程，整個(gè)LED可利用光學(xué)等級(jí)的環(huán)氧樹脂來包住，增大航空障礙燈LED元件機(jī)械強(qiáng)度，保護(hù)元件內(nèi)的相關(guān)線路，但環(huán)氧樹脂的作法雖可提升元件強(qiáng)度，卻同時(shí)限制了元件的溫度操作范圍，因?yàn)楦邷叵率褂霉鈱W(xué)級(jí)的環(huán)氧樹脂，會(huì)因強(qiáng)光或高溫，讓環(huán)氧樹脂的材質(zhì)本身和光學(xué)特性劣化。芯片層面減少管芯熱阻是LED器件的熱量處理方法外，對(duì)封裝而言，降低封裝后器件的熱阻應(yīng)設(shè)計(jì)合理熱沉、采用高熱導(dǎo)率的封裝材料、采用多芯片封裝、優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電源等，使器件性能提高。非成像光學(xué)是針對(duì)LED封裝的光學(xué)研究。半導(dǎo)體照明光源應(yīng)用的重要研究?jī)?nèi)容就是利用非成像光學(xué)設(shè)計(jì)，滿足特定要求的LED光學(xué)系統(tǒng)。目前封裝改善方式，傳統(tǒng)的炮彈式封裝技術(shù)僅在多數(shù)中低功率的航空障礙燈LED元件中才使用，對(duì)于高功率、高亮度的航空障礙燈LED元件，多改用LumiledsLuxeon系列封裝法，將散熱路徑集中于下方的金屬，內(nèi)部的封裝改用光學(xué)特性和耐高溫、耐強(qiáng)光表現(xiàn)較優(yōu)異的矽樹脂去進(jìn)行封裝，此封裝法可獲得較佳的機(jī)械強(qiáng)度表現(xiàn)，同時(shí)其內(nèi)部對(duì)高溫、高強(qiáng)度藍(lán)光LED、紫外線照射有更強(qiáng)大的耐受能力。以下是封裝光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)例在投射照明系統(tǒng)中的應(yīng)用。投射照明系統(tǒng)的光源要有準(zhǔn)直、高效的遠(yuǎn)場(chǎng)分布。若通過LED光源與附加準(zhǔn)直透鏡相結(jié)合實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直光場(chǎng)分布，即采用二次光學(xué)元件，不但系統(tǒng)體積增加，且LED和二次元件間會(huì)存有空氣隙，出現(xiàn)額外的反射損耗。LED芯片封裝時(shí)的樹脂透鏡需重新設(shè)計(jì)，確保LED在封裝的同時(shí)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直：準(zhǔn)直透鏡的二維、三維模型首先采用編程方式計(jì)算，其光場(chǎng)分布利用蒙特卡羅方法計(jì)算，設(shè)計(jì)模型利用計(jì)算結(jié)果修正，相應(yīng)的準(zhǔn)直透鏡待符合要求后制作。比較采用傳統(tǒng)二次元件系統(tǒng)的光場(chǎng)分布及利用直接準(zhǔn)直LED光源的光場(chǎng)分布，該準(zhǔn)直透鏡的亮度半高全角的理論值為9．8。，實(shí)測(cè)值為12．8。，其出光效率為90％。準(zhǔn)直LED光源陣列的應(yīng)用效果已實(shí)現(xiàn)。強(qiáng)調(diào)說明，此封裝結(jié)構(gòu)能簡(jiǎn)單組合構(gòu)成大面積陣列，具有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，滿足不同的應(yīng)用需求。LED的封裝問題，除光學(xué)封裝設(shè)計(jì)、熱學(xué)處理外，值得探討與研究的相關(guān)技術(shù)還有高熱導(dǎo)率低損耗封裝樹脂材料、穩(wěn)定有效驅(qū)動(dòng)電源模塊、新型高轉(zhuǎn)換效率熒光粉材料等。因傳統(tǒng)光源和LED光源形貌上差別很大，如何在外觀上為市場(chǎng)接受，也成為封裝需解決的技術(shù)問題。電路板層級(jí)的散熱改善，熱傳導(dǎo)性能中上表現(xiàn)的一般會(huì)采取n金屬基FR4(PCB))制作，如IntegratedMetalSubstrate(IMS)、MCPCB處理，進(jìn)階高效能熱傳導(dǎo)能力的會(huì)采取陶瓷基板(Ceramic)去制作。FR4(PCB)優(yōu)勢(shì)為低成本，可導(dǎo)熱效能相對(duì)較差，多用于低功率的LED裝載方面。金屬基PCB(IMS、MCPCB)因操作溫度高，例如MCPCB結(jié)構(gòu)由銅箔層、鋁基板、絕緣(介電1層構(gòu)成，一般銅箔層(電路)為1．0～4．0盎司、鋁基板(金屬核心)層厚度在1mm3．2mm、絕緣(介電)層為7．5um～150um左右厚度，可用在攝氏140度環(huán)境下，為中高價(jià)位的制作成本。陶瓷基板(Ceramic)的成本和單價(jià)更高，因?yàn)樘沾煽勺尦溯d的晶片更為匹配，其熱膨脹系數(shù)表現(xiàn)佳，但無法用在大面積的電路，對(duì)于LED光源應(yīng)用面，多數(shù)僅用于承載航空障礙燈LED元件的區(qū)塊電路使用，來提升熱傳導(dǎo)效率。除前述常見乘載的電路板外，其實(shí)還有相對(duì)多款具較佳熱傳導(dǎo)技術(shù)的基板技術(shù)，例如陶瓷基板(氧化鋁)、軟式印刷電路板、鋁鎂合金、金屬基復(fù)合材料基板、直接鋼接合基板(DBC)等技術(shù)，但部分技術(shù)仍有制程、成本或裝載方面的考量，必須視最終成品的實(shí)際熱流模型限制與改善幅度是否值得更換載板而定。

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