基于提高LED光源耐温性能的实验探讨(三)

汪峰
2014-06-18
　　编者按
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　　前言
　　半导体照明是本世纪一场技术革命，从技术成熟角度看它还是个婴儿，虽然LED大功率白光技术发展很快，然而LED光衰、散热、成本这三个与生俱来的痼疾仍然是LED照明普及发展的拦路虎。LED光衰、散热贯穿了从芯片制造、封装制程、材料选择、灯具开发整个产业链，目前业界对光衰的概念、产生的原因以及如何解决还认识不足，理论尚无权威解释，国家相关标准难以出台，以致出现人云亦云、你抄我搬稀奇古怪的技术乱象，长期以来人们拼命围绕用散热方法来减少LED光衰，然而见效甚微。解决LED光衰成为业界共同关心、翘首以待的技术难题,人们不禁要问：设计师为何不另辟蹊径从源头深入寻找LED光衰原因？笔者对提高LED光源的耐温特性可减少LED光衰从理论和实践进行了深入探讨，将陆续推出相关文章和实验报告。
　　关键词
　　LED光效、LED热阻、LED光衰、WFCOB光源、LED模组照明灯
　　目录
　　第一章
　　一、 LED光效：区分瞬态光效和稳态光效的意义
　　二、 LED热阻：区分光源內部热阻和光源外部热阻的意义
　　三、 LED光衰：光衰是光源部件超过耐温极限不可逆的损伤现象。
　　第二章
　　一、提高LED光源的耐温特性可减少LED光衰
　　二、为何要提高LED光源的耐温度特性
　　三、如何让LED光源耐受高温
　　第三章
　　一、倒装芯片无封装技术
　　二、集成COB封装技术
　　三、驱动电源技术
　　第四章
　　介绍一种WFCOB光源
　　第五章
　　介绍一种LED模组照明灯
 
　　第三章
　　一、倒装芯片无封装技术
　　近来，倒装芯片、无封装技术在业界引起广泛热议，因为传统正装工艺遇到散热、光衰等技瓶颈 。 倒装芯片、无封装技术早在10年前国外各大公司投巨资研究，旨在免用衬底胶、晶粒直焊技术，不仅可以有效降低封装热阻，还彻底免除了正装芯片在表面打线诸多弊端，让光源耐受高温、延长LED使用寿命。业界普遍认为这绝对是封装领域的前沿技术。但是人们要问：经过这多年研究实验，为何倒装技术迟迟不能取代正装芯片技术而成为主流？其根本原因是：倒装工艺不仅依赖陶瓷基板，还要依赖铝 (铜)基板，陶瓷基板加工成型和安装却都不如金属基板简单方便，由于（两次）过锡焊要经受280度高温，难免对材料和部件造成损伤。陶瓷基板和金属基板相比反光率不高，瞬态光效难以提高，陶瓷基板的导热率和芯片接触面积有限也限制了其稳态光效难以提高。倒装工艺两次过锡焊和陶瓷基板 +铝基板双重热阻足以将上述优势抵消怠尽。另外，倒装工艺的热压焊、回流焊等设备要求极高，良率不稳。从终端用户的角度分析，一款好的LED器应具有更佳照明品质，更高照明性能、更低系统成本以及更快的投资回报。考验倒装技术未来前途还是（LM元）值。品质第一，价格为王，所以造成了用户观望，产品推广困难的尴尬局面。
　　二、集成COB封装技术
　　从某种意义讲，LED封装核心技术应该是封装支架研发和制造技术，它决定LED光源的用途、功能及性价比。有实力的公司都在努力寻求利用封装支架解决LED的散热、光效、寿命、成本这一课题。
　　COB封装与单芯片封装相比在光强、散热、配光、成本等方面显露出许多优点，被越来越多的人认为是未来LED发展方向。目前传统的COB光源是支架是用铝(或铜)基板将FR4纤维板经过压合工艺成为一体。国产 FR-4 半固化片,导热系数仅为0.3/m-K，进口最好的只有2.0 /m-K左右，而纯铝导热系数为237 /m-K, 两者相差一百多倍，如此大的热耗比，必然增大系统热阻，造成严重的LED光衰，降低使用寿命，于是人们绞尽脑汁设法革除铝基板这层绝缘纤维，然至今尚无找到有效方法，如一些大公司设计了所谓“LMCOB支架”(在铝基板挖凹去掉铜皮和绝缘层) ，然而限于设备、凝胶、工艺及成本等原因，尚未推广普及。还有，目前市场广为流行所谓“集成光源”支架，采用注塑料工艺将电极板镶嵌在PPA(或目前正在推崇的EMC)塑料之中，由于PPA在高温和紫外线照射下会变黄粉化，造成透气进水，产品失效率很高，这种结构因电极板高于芯片1.5mm，其荧光粉和凝胶用量很大, 不仅会增加封装成本，胶体过厚也会影响透光，还会硬化龟裂拉断金线。目前所有COB支架毫无例外都要设围坝结构，以阻挡荧光混合胶不使其外溢, 由于围坝胶和表层白油吸光，不能实现光源镜面光反射，以上多种原因都会影响出光强度和传热受阻，这是造成传统COB光源的瞬态光效和稳态光效难以提高的主要原因。
　　三、驱动电源技术
　　1.集成光源基板和铝基板完全没必要做到3750V耐压
　　在LED系统设计中，最常见的问题是如何选择驱动电源，而实际上LED失效或损坏，驱动电源占据相当高的比例，驱动电源的可靠性及寿命成了LED照明技术短板。
　　LED照明属通用电子产品必须要通过国家相应的安全标准，即LED灯具外壳与人体接触不会构成触电危险。一般而言LED驱动有非隔离设计和隔离型；非隔离电源使用较少的元器件并拥有较高的效率，但限于外壳绝缘产品中使用，例如LED灯泡，其中LED和驱动器都集成并密封在绝缘塑料中，以便让最终用户没有触电的危险。隔离LED驱动电源带有隔离变压器，意味着高电压与次级的LED相互隔离，可以用手直接接触而不会触电。与非隔离电源相比隔离电源体积较大、效率较低、成本较高。
　　不少人(包括专家教授)认为LED光源(引脚)对地耐压应大于安规电压(3750V) 亦即铝基板和陶瓷基板对散热器耐压必须达到安规要求，其实这是认识误区, 缺乏电学识，实验测试表明LED芯片衬底通过银胶固封后其电极对地(基板)击穿电压只有300V左右，LED芯片衬底耐压远远达不到安规要求，这种情况必须使用隔离电源。既然使用隔离电源铝基板完全没必要做到3750V耐压，更没有必要留出所谓 “爬电距离” 。作为最终用户无论采用非隔离电源或隔离电源都完全没有必要要求铝基板达到3750V绝缘耐压，因为非隔离电源的输入端与负载是等电位，更没必要要求铝基板通过安规电压压，铝基板耐压越高其层间绝缘越厚,成本越高、热阻越大。实践证明，目前COB铝基板大多采用热电分离封装结构，(芯片直接邦定到基板上) 已经得到广泛应用，市场到处都有，足以证明这一理论分析实用可行。
　　2、LED驱动电源可否用液冷技术解决这块短板
　　LED寿命可达数万小时，然而目前与之相配套的驱动电源尚不能满足这个要求。在LED照明产品中，失效是一个常见现象，大多数是因为电源的失效，由于许多LED照明应用电源封闭在一个很小的空间里，通风散热成为主要技术瓶颈，如果没有仔细的热设计，LED和电源驱动电路很容易因为高温而退化或永久失效。导致LED驱动电路寿命达不到要求的关键元件是电解电容器，目前国内大多数电解电容器制造的电解电容器规定寿命一般为105℃/2000小时，这就是说在105℃的温度条件下的使用寿命只有84天，即使降低到85℃，使用寿命也仅仅为332天，还不到一年！远不能满足LED驱动要求，为何电解电容器有耐温局限？其原因是电解电容的电解液需要“水合”工艺制造，铝电解电容器为了实现极低的ESR，最简单的办法就是提高电解液的含水率，水的沸点约100度，含水率高导致电解液在高温下蒸发"干枯"而失效。电容器制造商绞尽脑汁抑制高含水率电解液的“水合”反应，电源生产商也曾用灌胶密闭工艺来解决电容器失效，然仍不彻底。
　　笔者将驱动电源浸泡在密闭散热器腔内冷却液中实验, 由于密闭腔内电解电容体内外压力差很小，不仅减小了电解电容的爆炸，也避免了蒸发"干枯"。由于免去灌注粘胶，还避免粘胶应力对元器件的拉伤、不易维护等弊端。密闭结构可提高防水等级(最高可达IP68)有效地延长了电源使用寿命。
　　结语
　　半导体照明是一场技术革命，新技术问世它始终需要一个过渡，必然经历长期改革，从产业链看主要是LED芯片技术、封装技术、电源技术等都存在诸多技术难题，有些难题解决尚需时日，如材料、设备及配套技术。有些难题简单而无人问津，如铝基板耐压问题还被外行忽悠。仅管如此LED快速发展取代传统照明已成必然，人们对LED未来有更高的期盼：将芯片封装到如同集成电路、无打线、无散热器、无驱动电源、长寿命、低成本目标定会实现。




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