LED發(fā)展新趨勢——LED模組化 - 全文

　　LED照明燈具至今不能被大量推廣應(yīng)用，其主要原因是LED照明燈具價格居高不下，如何降低LED照明燈具的價格，市場和經(jīng)驗告訴我們要LED模組化。

　　LED模組化發(fā)展模式：（1）光源模組化；（2）器件+PCB板集成化；（3）光源和電源集成化；（4）光源、電源、散熱、光學集成化；（5）連接端口、底座標準化。

　　本文主要從LED光源模組、標準接口、散熱設(shè)計等方面予以闡述。

　　光源模組

　　此項包括COB和光源器件+PCB兩種模式。見下圖。

　　1. COB封裝

　　COB封裝即chip On board，就是將裸芯片用導(dǎo)電或非導(dǎo)電膠粘附在互連基板上，然后進行引線鍵合實現(xiàn)其電連接（覆晶方式無需引線鍵合），即LED芯片和基板集成技術(shù)。

　　針對COB封裝目前可分為兩大類：（1）低熱阻封裝工藝；（2）高可靠性封裝工藝。

　?。?）低熱阻封裝工藝

　　低熱阻COB封裝目前分為鋁基板COB，銅基板COB，陶瓷基板COB。

　　鋁基板COB由于其基板的低成本，所以封裝出來的COB光源具有超高的性價比，另外，光效最高可做到130LM/W，基于以上等優(yōu)點廣泛應(yīng)用與LED球泡燈，LED筒燈等燈具上，但是由于鋁基板導(dǎo)熱系數(shù)的限制（目前常規(guī)基板導(dǎo)熱系數(shù)在1-2W/m.K），適宜做5-10W COB光源。

　　銅基板COB，由于芯片直接固定在銅上面，銅的導(dǎo)熱系數(shù)在380W/m.K，導(dǎo)熱效果好，可以封裝20-50W的COB，另外光效可達130LM/W，目前廣泛應(yīng)用與LED投射燈，LED路燈等燈具上，但是為防止局部過熱，一般封裝20-50W左右COB光源。

　　陶瓷基板COB，陶瓷目前是公認最適合做LED封裝基板的材料，以其優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，優(yōu)良的絕緣性能，熱形變小等優(yōu)點廣泛應(yīng)用與高檔次，高可靠性LED燈具中，目前可封裝10-50W COB光源，但是由于其基板價格較貴，一般用于高端LED照明和高可靠性要求的照明領(lǐng)域。

　?。?）高可靠性封裝工藝

　　目前針對一些特殊場合的照明，對LED燈具的可靠性要求特別高，比如說LED路燈，LED隧道燈，LED防爆燈，LED礦燈等，由此對LED光源的可靠性要求也非常高。

　　作為LED封裝影響可靠性的前三大影響（熱影響、靜電影響、濕氣影響）之一的熱影響，是造成LED衰減的一個重要原因。以LED芯片適用的Arrhenius模型來看，LED的結(jié)溫每增加10℃，LED自身的壽命將隨之減少1半。

　　P=P0exp（-βt）

　　P0-初始光功率，β-衰減系數(shù)，t-LED老化時間

　　β=β0Ifexp（-Ea/kTj）

　　β0-常數(shù)，k-波爾茲曼常數(shù)，Tj-芯片的節(jié)溫，Ea-活化能

　　由于陶瓷基板具有很高的導(dǎo)熱系數(shù)和絕緣性能，可解決熱影響和靜電影響，另外陶瓷基板和硅膠具有很好的結(jié)合性能，可解決濕氣影響，另外采用覆晶工藝除去金線進一步大幅度的提高了整個光源組件的可靠性，采用COB封裝提高了光源組件的性價比，因此，采用陶瓷基板COB外加覆晶工藝可滿足高要求的LED應(yīng)用領(lǐng)域。

　　2. 光源器件+PCB

　　光源器件+PCB形成的光源模組，旨在推進光源模組標準化，方便LED燈具制造廠商制造流程。

　　以上僅以3014和5630加以說明，還有仿流明，陶瓷3535，3528等光源器件+PCB的模式，應(yīng)用與LED射燈，LED路燈，LED日光燈管，LED球泡燈，LED筒燈等，極大地方便LED燈具制造商。

　　由以上可以看出采用COB光源有著諸多的好處，低熱阻，高可靠性，高性價比，是LED照明普及的必經(jīng)之路。另外，LED器件+PCB的模式極大地方便了LED燈具制造廠商，簡化了作業(yè)流程，標準化更進一步。

　　標準接口

　　目前LED照明燈具蓬勃發(fā)展，特別是室內(nèi)LED燈具幾乎每天都有新的公司加入，新的燈具誕生。故LED室內(nèi)燈具市場是五花八門，各行其道，這樣一來給室內(nèi)LED燈具的標準化生產(chǎn)及推廣帶來了很大的不便。為此，LED接口標準化勢在必行。在此主要介紹為光源產(chǎn)品提供標準接口。

　　光源組件標準接口包括：（1）COB標準接口；（2）光源器件+PCB標準接口。

　　（1） COB標準接口

　　在此以陶瓷COB為例加以說明。目前在實際使用的陶瓷COB產(chǎn)品中，由于陶瓷基板具有很好的導(dǎo)熱性能，在實際焊線過程中較為困難；另一方面，由于陶瓷具有易碎的特性，因此，為陶瓷COB開發(fā)一款集壓緊與引出導(dǎo)線的燈座為首選。

　　燈座圖片

　　COB+燈座+散熱器圖片

　　通過加燈座，一方面起到固定陶瓷COB的作用，另一方面起到電氣連接的作用。

　　（2） 光源器件+PCB標準接口

　　在PCB板上加上連接器，這樣以來省去了手工焊接，縮短了安裝時間，另外維護更簡單。

　　三、散熱設(shè)計

　　目前LED功率約70%-80%轉(zhuǎn)換成熱的形式，因此，LED應(yīng)用散熱設(shè)計，如何將LED組件溫度降到最低，一直都是應(yīng)用端需考慮的重點項目。

　　對于LED而言，選擇適合的操作環(huán)境，并快速地將LED點亮后產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出可維持LED原有的壽命和性能，其導(dǎo)熱途徑主要為以下四項：

　?。?） 由發(fā)熱體（LED組件）至散熱器；

　　（2） 散熱器熱傳導(dǎo)；

　　（3） 通過對流將熱散逸到空氣中；

　?。?） 透過表面熱輻射將熱移除；

　　路徑（1）：LED組件和散熱器的接觸面并非完美平整光滑，無法完全貼合，若無完全接觸，會因間隙中空氣的高熱阻，導(dǎo)致傳熱效果下降。因此要快速將LED組件的熱導(dǎo)出，其一關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在LED與散熱器之間能否緊密的結(jié)合。簡單有效的做法，建議在LED組件與散熱器的接觸表面，均勻涂布適量的導(dǎo)熱膏以填補接觸面之間的間隙，并利用螺絲加強二者之間的附著力，加強導(dǎo)熱效果。

　　路徑（2）：散熱器本身會根據(jù)時間的不同，于不同的位置造成溫度差。其總導(dǎo)熱量為Q，即某段時間內(nèi)散熱機構(gòu)所可以導(dǎo)出的總熱量，是由（1） 發(fā)熱體與散熱器兩端的溫差△T = Tj-Th ；（2） 散熱器的導(dǎo)熱系數(shù)K；（3） 熱傳總面積A；（4） 熱傳的直線距離L所組成的。

　　其散熱公式為：

　　在LED散熱設(shè)計時，Tj有最高限制，由提高散熱系數(shù)，增加散熱面積（鰭片數(shù)量），或縮短熱傳的直線距離，皆可提高散熱機構(gòu)單位時間的導(dǎo)熱量。其中金屬材料的高導(dǎo)熱性和高性價比為首要選擇。

　　路徑（3）：熱散逸機制包含熱對流與熱輻射。無論對流或者輻射，其成效與散熱器的表面積皆成正比關(guān)系，若散熱器的總表面積越大，則散熱效果越佳。散熱鰭片越多，可增加總表面積；但在限制的體積內(nèi)，設(shè)計過多數(shù)量的鰭片，反而抑制了對流的效果?，F(xiàn)在有許多熱設(shè)計，利用外部風扇強制對流，達到將熱強制移除的效果，但此設(shè)計牽制到噪音，電路等限制問題，在此不多加贅述。

　　路徑（4）：相對于未處理的散熱器，在散熱器表面覆蓋一層高輻射率材料（輻射率與等于1），如陶瓷或深色皮膜等，加強表面熱輻射效果。一般常見的表面陽極處理，或表面蝕刻，都是提高熱輻射能力的方法。

　　散熱器設(shè)計重點在于：

　?。?） LED組件和散熱器之間的緊密度及接觸面的平整度；

　?。?） 散熱器總表面積；

　　（3） 散熱器材質(zhì)選擇；

　?。?） 鰭片數(shù)量優(yōu)化（氣體流動設(shè)計）

　　結(jié)語

　　LED封裝是一個涉及到多學科（如光學、熱學、機械學、電學、力學、材料學、半導(dǎo)體學等）的研究課題。從某個方面來說，LED封裝不僅是一門制造技術(shù)，而且也是一門基礎(chǔ)科學，良好的封裝需要對熱學、光學、材料和工藝力學等物理本質(zhì)的理解和應(yīng)用。LED封裝設(shè)計應(yīng)與晶片設(shè)計同時進行，并且需要對光、熱、電、結(jié)構(gòu)等性能統(tǒng)一考慮，將眾多器件集成化，形成LED模組，從而推進LED照明更好更快地向前發(fā)展。

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