大功率LED照明产品及散热技术讲义

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,大,功,功,率,率LED,技,技,术,术,、,、,照,照,明,明,产,产,品,品,及,及,其,其,散,散,热,热,技,技,术,术,主,要,要,内,内,容,容,功率型芯片技术原,理,大功率技术结构设计,功率型散热技术,结束语,LED,的,应,应,用,用,面,面,不,不,断,断,扩,扩,大,大,，,，,首,首,先,先,进,进,入,入,特,特,种,种,照,明,明,的,市,市,场,场,领,领,域,域,，,，,并,并,向,向,普,普,通,通,照,照,明,明,市,市,场,场,迈,迈,进,进,。,。,由,由,于,于,LED芯,片,片,输,入,入,功,功,率,率,的,的,不,不,断,断,提,提,高,高,，,，,对,对,这,这,些,些,功,功,率,率,型,型LED的,封,封,装,装,技,技,术,术,提,提,出,出,了,了,更,更,高,高,的,的,要,要,求,求,。,。,功,功,率,率,型,型LED封,装,装,技,技,术,术,主,主,要,要,应,应,满,满,足,足,以,以,下,下,两,两,点,点,要,要,求,求,：,：,一,是,是,封,封,装,装,结,结,构,构,要,要,有,有,高,高,的,的,取,取,光,光,效,效,率,率,；,；,二,是,是,热,热,阻,阻,要,要,尽,尽,可,可,能,能,低,低,，,，,这,这,样,样,才,才,能,能,保,保,证,证,功,功,率,率LED的,光,光,电,电,性,性,能,能,和,和,可,可,靠,靠,性,性,。,。,功率型芯片技术原理,大,功,功,率,率,LED,广,义,义,上,上,说,说,就,就,是,是,单,单,颗,颗,LED,光,源,源,功,功,率,率,大,大,于,于,0.35W(,含,0.35W),的,，,，,拥,拥,有,有,大,大,额,额,定,定,工,工,作,作,电,电,流,流,的,的,发,发,光,光,二,二,极,极,管,管,。,。,普,普,通,通,LED,功,率,率,一,一,般,般,为,为,0.05W,、,工,工,作,作,电,电,流,流,为,为,20mA,，,而,而,大,大,功,功,率,率,LED,可,以,以,达,达,到,到,1W,、,2W,、,甚,甚,至,至,数,数,十,十,瓦,瓦,，,，,工,工,作,作,电,电,流,流,可,可,以,以,是,是,几,几,十,十,毫,毫,安,安,到,到,几,几,百,百,毫,毫,安,安,不,不,等,等,。,。,由,由,于,于,目,目,前,前,大,大,功,功,率,率,LED,在,光,光,通,通,量,量,、,、,转,转,换,换,效,效,率,率,和,和,成,成,本,本,等,等,方,方,面,面,的,的,制,制,约,约,，,，,因,因,此,此,决,决,定,定,了,了,大,大,功,功,率,率,白,白,光,光,LED,短,期,期,内,内,的,的,应,应,用,用,主,主,要,要,是,是,一,一,些,些,特,特,殊,殊,领,领,域,域,的,的,照,照,明,明,，,，,中,中,长,长,期,期,目,目,标,标,才,才,是,是,通,通,用,用,照,照,明,明,。,。,何,为,为,大,大,功,功,率,率,芯,芯,片,片,?,(1),加,大,大,尺,尺,寸,寸,法,法,:,通,过,过,增,增,大,大,单,单,体,体,LED,的,有,有,效,效,发,发,光,光,面,面,积,积,和,和,尺,尺,寸,寸,，,，,促,促,使,使,流,流,经,经,TCL,层,的,的,电,电,流,流,均,均,匀,匀,分,分,布,布,，,，,以,以,达,达,到,到,预,预,期,期,的,的,光,光,通,通,量,量,。,。,但,但,是,是,，,，,简,简,单,单,地,地,增,增,大,大,发,发,光,光,面,面,积,积,无,无,法,法,解,解,决,决,散,散,热,热,问,问,题,题,和,和,出,出,光,光,问,问,题,题,，,，,并,并,不,不,能,能,达,达,到,到,预,预,期,期,的,的,光,光,通,通,量,量,和,和,实,实,际,际,应,应,用,用,效,效,果,果,。,。,(2),硅,底,底,板,板,倒,倒,装,装,法,法,:,首,先,先,制,制,备,备,出,出,适,适,合,合,共,共,晶,晶,焊,焊,接,接,的,的,大,大,尺,尺,寸,寸,LED,芯,片,片,，,，,同,同,时,时,制,制,备,备,出,出,相,相,应,应,尺,尺,寸,寸,的,的,硅,硅,底,底,板,板,，,，,并,并,在,在,硅,硅,底,底,板,板,上,上,制,制,作,作,出,出,供,供,共,共,晶,晶,焊,焊,接,接,用,用,的,的,金,金,导,导,电,电,层,层,及,及,引,引,出,出,导,导,电,电,层,层,（,（,超,超,声,声,金,金,丝,丝,球,球,焊,焊,点,点,）,）,，,，,再,再,利,利,用,用,共,共,晶,晶,焊,焊,接,接,设,设,备,备,将,将,大,大,尺,尺,寸,寸,LED,芯,片,片,与,与,硅,硅,底,底,板,板,焊,焊,接,接,在,在,一,一,起,起,。,。,这,这,样,样,的,的,结,结,构,构,较,较,为,为,合,合,理,理,，,，,既,既,考,考,虑,虑,了,了,出,出,光,光,问,问,题,题,又,又,考,考,虑,虑,到,到,了,了,散,散,热,热,问,问,题,题,，,，,这,这,是,是,目,目,前,前,主,主,流,流,的,的,大,大,功,功,率,率,LED,的,生,生,产,产,方,方,式,式,。,。,LED,大,功,功,率,率,的,的,实,实,现,现,方,方,法,法,美,国,国,Lumileds,公,司,司,于,于,2001,年,研,研,制,制,出,出,了,了,AlGaInN,功,率,率,型,型,倒,倒,装,装,芯,芯,片,片,（,（,FCLED,）,结,结,构,构,，,，,其,其,制,制,造,造,流,流,程,程,是,是,：,：,首,先,先,在,在,外,外,延,延,片,片,顶,顶,部,部,的,的,P,型,GaN,上,淀,淀,积,积,厚,厚,度,度,大,大,于,于,500A,的,NiAu,层,，,，,用,用,于,于,欧,欧,姆,姆,接,接,触,触,和,和,背,背,反,反,射,射,；,；,再,采,采,用,用,掩,掩,模,模,选,选,择,择,刻,刻,蚀,蚀,掉,掉,P,型,层,层,和,和,多,多,量,量,子,子,阱,阱,有,有,源,源,层,层,，,，,露,露,出,出,N,型,层,层,；,；,经,淀,淀,积,积,、,、,刻,刻,蚀,蚀,形,形,成,成,N,型,欧,欧,姆,姆,接,接,触,触,层,层,，,，,芯,芯,片,片,尺,尺,寸,寸,为,为,1mm,1mm,P,型,欧,欧,姆,姆,接,接,触,触,为,为,正,正,方,方,形,形,，,，,N,型,欧,欧,姆,姆,接,接,触,触,以,以,梳,梳,状,状,插,插,入,入,其,其,中,中,，,，,这,这,样,样,可,可,缩,缩,短,短,电,电,流,流,扩,扩,展,展,距,距,离,离,，,，,把,把,扩,扩,展,展,电,电,阻,阻,降,降,至,至,最,最,小,小,；,；,然,后,后,将,将,金,金,属,属,化,化,凸,凸,点,点,的,的,AlGaInN,芯,片,片,倒,倒,装,装,焊,焊,接,接,在,在,具,具,有,有,防,防,静,静,电,电,保,保,护,护,二,二,极,极,管,管,（,（,ESD,）,的,的,硅,硅,载,载,体,体,上,上,。,。,(3),陶,瓷,瓷,底,底,板,板,倒,倒,装,装,法,法,:,先,利,利,用,用,LED,晶,片,片,通,通,用,用,设,设,备,备,制,制,备,备,出,出,具,具,有,有,适,适,合,合,共,共,晶,晶,焊,焊,接,接,电,电,极,极,结,结,构,构,的,的,大,大,出,出,光,光,面,面,积,积,的,的,LED,芯,片,片,和,和,相,相,应,应,的,的,陶,陶,瓷,瓷,底,底,板,板,，,，,并,并,在,在,陶,陶,瓷,瓷,底,底,板,板,上,上,制,制,作,作,出,出,共,共,晶,晶,焊,焊,接,接,导,导,电,电,层,层,及,及,引,引,出,出,导,导,电,电,层,层,，,，,然,然,后,后,利,利,用,用,共,共,晶,晶,焊,焊,接,接,设,设,备,备,将,将,大,大,尺,尺,寸,寸,LED,芯,片,片,与,与,陶,陶,瓷,瓷,底,底,板,板,焊,焊,接,接,在,在,一,一,起,起,。,。,这,这,样,样,的,的,结,结,构,构,既,既,考,考,虑,虑,了,了,出,出,光,光,问,问,题,题,也,也,考,考,虑,虑,到,到,了,了,散,散,热,热,问,问,题,题,，,，,并,并,且,且,采,采,用,用,的,的,陶,陶,瓷,瓷,底,底,板,板,为,为,高,高,导,导,热,热,陶,陶,瓷,瓷,板,板,，,，,散,散,热,热,效,效,果,果,非,非,常,常,理,理,想,想,，,，,价,价,格,格,又,又,相,相,对,对,较,较,低,低,，,，,所,所,以,以,为,为,目,目,前,前,较,较,为,为,适,适,宜,宜,的,的,底,底,板,板,材,材,料,料,，,，,并,并,可,可,为,为,将,将,来,来,的,的,集,集,成,成,电,电,路,路,一,一,体,体,化,化,封,封,装,装,预,预,留,留,空,空,间,间,。,。,(4),蓝宝石,衬,衬底过,渡,渡法。,按,按照传,统,统的,InGaN,芯片制,造,造方法,在,在蓝宝,石,石衬底,上,上生长,出,出,PN,结后，,将,将蓝宝,石,石衬底,切,切除，,再,再连接,上,上传统,的,的四元,材,材料，,制,制造出,上,上下电,极,极结构,的,的大尺,寸,寸蓝光,LED,芯片。,(5)AlGaInN,碳化硅,（,（,SiC,）背面,出,出光法,。,。美国,Cree,公司是,全,全球唯,一,一采用,SiC,衬底制,造,造,AlGaInN,超高亮度,LED,的厂家,，,，几年,来,来其生,产,产的,AlGaInN/SiCa,芯片结,构,构不断,改,改进，,亮,亮度不,断,断提高,。,。由于,P,型和,N,型电极,分,分别位,于,于芯片,的,的底部,和,和顶部,，,，采用,单,单引线,键,键合，,兼,兼容性,较,较好，,使,使用方,便,便，因,而,而成为,AlGaInNLED,发展的,另,另一主,流,流产品,。,。,半导体LED若要作,为,为照明,光,光源，,常,常规产,品,品的光,通,通量与,白,白炽灯,和,和荧光,灯,灯等通,用,用性光,源,源相比,，,，距离,甚,甚远。LED要在照,明,明领域,发,发展，,关,关键是,要,要将其,发,发光效,率,率、光,通,通量提,高,高至现,有,有照明,光,光源的,等,等级。,功率型LED所用的,外,外延材,料,料采用MOCVD的,外,外延生,长,长技术,和,和多量,子,子阱结,构,构，虽,然,然其内,量,量子效,率,率还需,进,进一步,提,提高，,但,但获得,高,高发光,通,通量的,最,最大障,碍,碍仍是,芯,芯片的,取,取光效,率,率低。,现有的,功,功率型LED的设计,采,采用了,倒,倒装焊,新,新结构,来,来提高,芯,芯片的,取,取光效,率,率，改,善,善芯片,的,的热特,性,性，并,通,通过增,大,大芯片,面,面积，,加,加大工,作,作电流,来,来提高,器,器件的,光,光电转,换,换效率,，,，从而,获,获得较,高,高的发,光,光通量,。,。除了,芯,芯片外,，,，器件,的,的封装,技,技术也,举,举足轻,重,重。关,键,键的封,装,装技术,工,工艺有,：,：,大功率技术结构设计,3W,模组,9,颗芯片,(,芯片尺,寸,寸,:18mil),3,并,3,串,电流,300mA,电压,9.6-10.5V,5W,模组,4,颗芯片,(,芯片尺,寸,寸,:40mil),2,并,2,串,电流,700mA,电压,6.2-7.0V,10W,模组,9,颗芯片,(,芯片尺,寸,寸,:40mil),3,并,3,串,电流,1050mA,电压,9.0-10.5V,几种整,合,合模式,10W,模组,36,颗芯片,(,芯片尺,寸,寸,:18mil),6,并,6,串,电流,500mA,电压,18-21V,25W,模组,25,颗芯片,(,芯片尺,寸,寸,:40mil),5,并,5,串,电流,1750mA,电压,15-17.5V,30W,模组,81,颗芯片,(,芯片尺,寸,寸,:18mil),9,并,9,串,电流,1000mA,电压,27-31.5V,1W,氮化镓,蓝,蓝光,LED,倒装芯,片,片,1.,产品优,势,势与应,用,用领域,2.,倒装芯,片,片说明,(1),倒装芯,片,片尺寸,与,与材料,3.,特性测,试,试,注,1,注,3,备注,:,1.,以上数,据,据为使,用,用,PowerDome,支架、,无,无灌胶,条,条件下,裸,裸晶测,试,试结果,，,，不同,封,封装方,式,式得到,的,的测试,结,结果可,能,能不尽,相,相同，,仅,仅供参,考,考；,LED,最大结,温,温允许,值,值也与,封,封装方,式,式相关,；,；若封,装,装生产,使,使用回,流,流焊，,必,必须保,证,证不能,在,在,300,以上温,度,度条件,使,使用超,过,过,3,秒；,2.,抗静电,释,释放测,试,试根据,人,人体模,型,型，使,用,用,RAET,方式模,拟,拟静电,释,释放，,所,所有产,品,品通过,测,测试，,符,符合,JESD22-A114-B,标准,Class3A,等级。,3.,测试,LED,使用的,反,反向电,压,压不能,超,超过,6V,，否则,有,有可能,损,损坏产,品,品，而,且,且正常,使,使用情,况,况下，,供,供电电,源,源不能,反,反接,LED,。,4.,由于硅,基,基体易,碎,碎，因,此,此强烈,建,建议封,装,装打线,时,时，尽,量,量远离,基,基体边,缘,缘，以,免,免损坏,基,基体。,大功率,芯,芯片封,装,装结构,提高,LED,性能的,一,一种方,法,法乃将,电,电流由,弯,弯流改,成,成顺流,。,。由于,蓝,蓝宝石,基,基材不,导,导电，,LED,正负两,个,个电极,乃,乃设在,同,同面。,当,当电流,通,通过,GaN,晶格,时电流,必,必须由,垂,垂直顺,流,流改成,水,水平横,流,流，这,样,样电流,就,就会集,中,中在内,弯,弯处，,导,导致不,能,能有效,使,使用,P-N,接口的,电,电子层,和,和电洞,层,层，因,而,而减少,了,了发,光效,率。更,有,有甚者,，,，电流,集,集中之,处,处会产,生,生热点,使,使晶格,缺,缺陷范,围,围延伸,，,，,LED,的,亮度,就会随,缺,缺陷扩,大,大而递,减,减。为,了,了延长,LED,的寿命,，,，输入,的,的电流,必,必须降,低,低（如,350mA,），单,位,位面积,的,的发光,亮,亮度，,就,就受到,了,了限制,。,。,LED,设计的,主,主要设,计,计有如,下,下列诸,图,图所示,(,如图,1),LED,电流转,弯,弯的问,题,题不能,靠,靠封装,的,的设计,(,如复晶,或,或,Flip Chip),改善，,把,把电流,截,截弯取,直,直才是,正,正道，,这,这样必,须,须把电,极,极置于,LED,磊晶的,两,两侧。,电,电流平,顺,顺就可,以,以明显,提,提升,LED,的亮度,。,。除此,之,之外，,相,相同亮,度,度的顺,流,流,LED,使用的,芯,芯片面,积,积较小,，,，因此,晶,晶圆上,切,切出的,晶,晶粒数,目,目较多,，,，也就,是,是单颗,LED,的制造,成,成本可,能,能降低,。,。尤其,进,进者，,电,电流转,弯,弯时若,扩,扩大芯,片,片的面,积,积会使,LED,发光更,不,不均匀,。,。但是,顺,顺流,LED,其发射,的,的光子数目则,会,会由发,光,光面积,的,的加大,而,而提高,。,。所以,一,一颗以,大,大电流,(,如,1A),驱动大面积,的,的顺流,LED,，其亮,度,度会大,于,于具有,相,相同面,积,积的多,颗,颗横流,LED,。,(,如图,2),可采用,低,低阻率,、,、高导,热,热性能,的,的材料,粘,粘结芯,片,片；,在芯片,下,下部加,铜,铜或铝,质,质热沉,，,，并采,用,用半包,封,封结构,，,，加速,散,散热；,设计二,次,次散热,装,装置，,来,来降低,器,器件的,热,热阻。,在器件,的,的内部,，,，填充,透,透明度,高,高的柔,性,性硅橡,胶,胶，在,硅,硅橡胶,承,承受的,温,温度范,围,围内（,一,一般为-40, 200,），,胶,胶体不,会,会因温,度,度骤然,变,变化而,导,导致器,件,件开路,，,，也不,会,会出现,变,变黄现,象,象。,零件材,料,料也应,充,充分考,虑,虑其导,热,热、散,热,热特性,，,，以获,得,得良好,的,的整体,热,热特性,。,。,对于大,工,工作电,流,流的功,率,率型,LED,芯片，,低,低热阻,、,、散热,良,良好及,低,低应力,的,的新的,封,封装结,构,构是功,率,率型,LED,器件的,技,技术关,键,键。,二次光,学,学设计,技,技术,为提高,器,器件的,取,取光效,率,率，设,计,计外加,的,的反射,杯,杯与多,重,重光学,透,透镜。,粉涂布,量,量控制,：,：,LED芯片+,荧,荧光粉,工,工艺采,用,用的涂,胶,胶方法,，,，通常,是,是将荧,光,光粉与,胶,胶混合,后,后用分,配,配器将,其,其涂到,芯,芯片上,。,。在操,作,作过程,中,中，由,于,于载体,胶,胶的粘,度,度是动,态,态参数,、,、荧光,粉,粉比重,大,大于载,体,体胶而,产,产生沉,淀,淀以及,分,分配器,精,精度等,因,因素的,影,影响，,此,此工艺,荧,荧光粉,的,的涂布,量,量均匀,性,性的控,制,制有难,度,度，导,致,致了白,光,光颜色,的,的不均,匀,匀。,功率型,LED,白光技,术,术,芯片光,电,电参数,配,配合：,半导体,工,工艺的,特,特点，,决,决定同,种,种材料,同,同一晶,圆,圆芯片,之,之间都,可,可能存,在,在光学,参,参数（,如,如波长,、,、光强,）,）和电,学,学（如,正,正向电,压,压）参,数,数差异,。,。,RGB,三,三基色,芯,芯片更,是,是这样,，,，对于,白,白光色,度,度参数,影,影响很,大,大。这,是,是产业,化,化必须,要,要解决,的,的关键,技,技术之,一,一。,根据应,用,用要求,产,产生的,光,光色度,参,参数控,制,制：,不同用,途,途的产,品,品，对,白光LED,的色坐,标,标、色,温,温、显,色,色性、,光,光功率,（,（或光,强,强）和,光,光的空,间,间分布,等,等要求,不,不同。,上,上述参,数,数的控,制,制涉及,产,产品结,构,构、工,艺,艺方法,、,、材料,等,等多方,面,面因素,的,的配合,。,。在产,业,业化生,产,产中，,对,对上述,因,因素进,行,行控制,，,，得到,符,符合应,用,用要求,、,、一致,性,性好的,产,产品十,分,分重要,。,。,检测技,术,术与标,准,准,随着W级,功,功率,芯,芯片,制,制造,技,技术,和,和白,光,光LED工艺,技,技术,的,的发,展,展，LED产品,正,正逐,步,步进,入,入（,特,特种,）,）照,明,明市,场,场，,显,显示,或,或指,示,示用,的,的传,统,统LED产品,参,参数,检,检测,标,标准,及,及测,试,试方,法,法已,不,不能,满,满足,照,照明,应,应用,的,的需,要,要。,国,国内,外,外的,半,半导,体,体设,备,备仪,器,器生,产,产企,业,业也,纷,纷纷,推,推出,各,各自,的,的测,试,试仪,器,器，,不,不同,的,的仪,器,器使,用,用的,测,测试,原,原理,、,、条,件,件、,标,标准,存,存在,一,一定,的,的差,异,异，,增,增加,了,了测,试,试应,用,用、,产,产品,性,性能,比,比较,工,工作,的,的难,度,度和,问,问题,复,复杂,化,化。,我国,光,光学,光,光电,子,子行,业,业协,会,会光,电,电子,器,器件,分,分会,行,行业,协,协会,根,根据LED产品,发,发展,的,的需,要,要，,于,于2003年,发,发布,了,了,“,发光,二,二极,管,管,测试,方,方法,（,（试,行,行）,”,该,测,测试,方,方法,增,增加,了,了对LED色度,参,参数,的,的规,定,定。,但,但LED要往,照,照明,业,业拓,展,展，,建,建立,LED照明,产品,标,标准,是,是产,业,业规,范,范化,的,的重,要,要手,段,段。,筛选,技,技术,与,与可,靠,靠性,保,保证,由于,灯具,外观,的,的限,制,制，,照,照明,用,用LED的装,配,配空,间,间密,封,封受,到,到局,限,限，,密,密封,且,且有,限,限的,空,空间,不,不利,于,于LED散热,，,，这,意,意味,着,着照,明,明LED的使,用,用环,境,境要,劣,劣于,传,传统,显,显示,、,、指,示,示用LED产品,。,。,照明LED是处,于,于大,电,电流,驱,驱动,下,下工,作,作，,这,这就,对,对其,提,提出,更,更高,的,的可,靠,靠性,要,要求,。,。在,产,产业,化,化生,产,产中,，,，针,对,对不,同,同的,产,产品,用,用途,，,，进,行,行适,当,当的,热,热老,化,化、,温,温度,循,循环,冲,冲击,、,、负,载,载老,化,化工,艺,艺筛,选,选试,验,验，,剔,剔除,早,早期,失,失效,品,品，,保,保证,产,产品,的,的可,靠,靠性,很,很有,必,必要,。,。,电防,护,护技,术,术,由于GaN是,宽,宽禁,带,带材,料,料，,电,电阻,率,率较,高,高，,该,该类,芯,芯片,在,在生,产,产过,程,程中,因,因静,电,电产,生,生的,感,感生,电,电荷,不,不易,消,消失,，,，累,积,积到,相,相当,的,的程,度,度，,可,可以,产,产生,很,很高,的,的静,电,电电,压,压。,当,当超,过,过材,料,料的,承,承受,能,能力,时,时，,会,会发,生,生击,穿,穿现,象,象并,放,放电,。,。蓝,宝,宝石,衬,衬底,的,的蓝,色,色芯,片,片其,正,正负,电,电极,均,均位,于,于芯,片,片上,面,面，,间,间距,很,很小,；,；对,于,于InGaN/AlGaN/GaN,双,双异,质,质结,，,，InGaN,活,活化,薄,薄层,仅,仅几,十,十纳,米,米，,对,对静,电,电的,承,承受,能,能力,很,很小,，,，极,易,易被,静,静电,击,击穿,，,，使,器,器件,失,失效,。,。,对生,产,产、,使,使用,场,场所,从,从人,体,体、,台,台、,地,地、,空,空间,及,及产,品,品传,输,输、,堆,堆放,等,等方,面,面实,施,施防,范,范，,手,手段,有,有防,静,静电,服,服装,、,、手,套,套、,手,手环,、,、鞋,、,、垫,、,、盒,、,、离,子,子风,扇,扇、,检,检测,仪,仪器,等,等。,芯片,上,上设,计,计静,电,电保,护,护线,路,路。,LED上装,配,配保,护,护器,件,件。,在产,业,业化,生,生产,中,中，,静,静电,的,的防,范,范是,否,否得,当,当，,直,直接,影,影响,到,到产,品,品的,成,成品,率,率、,可,可靠,性,性和,经,经济,效,效益,。,。,几种,静,静电,防,防范,技,技术,半导,体,体,若,若要,作,作为,照,照明,光,光源,，,，与,常,常规,产,产品,白,白炽,灯,灯和,荧,荧光,灯,灯等,通,通用,性,性光,源,源的,光,光通,量,量相,比,比，,差,差距,较,较大,。,。因,此,此，,要,在,在照,明,明领,域,域发,展,展，,关,关键,是,是要,将,将其,发,发光,效,效率,、,、光,通,通量,提,提高,至,至现,有,有照,明,明光,源,源的,等,等级,。,。,照明,用,用,级,级功,率,率型,要,实,实现,产,产业,化,化，,应,应从,以,以下,技,技术,层,层面,进,进行,整,整体,创,创新,突,突破,，,，从,而,而全,面,面提,高,高功,率,率型,产,品,品的,生,生产,质,质量,和,和产,量,量。,目,目前,国,国内,从,从事,功,功率,型,型,研,研发,生,生产,的,的厂,家,家多,关,关注,于,于个,别,别技,术,术点,，,，尤,其,其是,封,封装,技,技术,。,。,现在,需,需要,倡,倡导,的,的的,创,创新,理,理念,是,是一,定,定要,整,整体,创,创新,、全,面,面突,破,破，,因,因为,功,功率,型,型,芯,芯片,产,产业,化,化的,四个,关,关键,技,技术,环,环节,是,是相,互,互制,约,约同,时,时又,能,能相,互,互促,进的,，,，只,有,有全,面,面提,升,升才,能,能拓,宽,宽产,业,业化,道,道路,。,。,功率,型,型,芯,芯片,的,的产,业,业化,关,关键,技,技术,的,的,四,四个,重,重要,环,环节,：,：,（,1,）通过加大工作电流提高芯片的整体功率；,（,2,）采用新型的封装结构提高光电功率转换效率；,（,3,）设计新的芯片结构以提高取光效率；,（,4,）采用导 热和光学性能优良的材料，在大电流下降低芯片结温。,四个,环,环节,相,相辅,相,相成,，,，共,同,同推,动,动功,率,率型,的,大,大规,模,模产,业,业化,，,，构,成,成半,导,导体,照,照明,的,的核,心,心力,量,量。,大功,率,率,产,产业,简,简史,国际先行者,本世,纪,纪初,，,，,公,司,司推,出,出了,倒,倒梯,形,形结,构,构的,功,功率,型,型大,面,面积,芯,芯片,，,，工,作,作电,流,流可,进,进一,步,步增,大,大至,，,发,发光,通,通量,大,大于,。,。以,脉,脉冲,方,方式,工,工作,时,时，,则,则可,达,达,。,。,德国,公,司,司通,过,过在,器,器件,表,表面,制,制作,纹,纹理,结,结构,，,，于,年,年研,制,制出,新,新一,代,代功,率,率型,芯,片,片，,获,获得,了,了大,于,于,的,的外,量,量子,效,效率,，,，其,基,基本,性,性能,与,与,结,构,构的,相,当,当。,目,目前,，,，该,器,器件,的,的制,作,作工,艺,艺已,大,大为,简,简化,，,，可,批,批量,生,生产,。,。,国际先进行列,对于,基,蓝,蓝绿,光,光器,件,件，,美,美国,公,公司,于,于,成,功,功研,制,制了,倒,倒装,芯,芯片,结,结构,的,的,的,的功,率,率型,器,器件,。,。当,该,该器,件,件的,正,正向,电,电流,为,为,，,正,正向,电,电压,为,为,时,，,，光,输,输出,功,功率,达,达,W,。,。据,可,可靠,性,性试,验,验表,明,明，,该,该器,件,件性,能,能极,为,为稳,定,定。,同时,，,，美,国,国,公,司,司开,发,发了,背,背面,出,出光,功,功率,型,型的,/,芯,片,片结,构,构，,该,该器,件,件的,芯,芯片,尺,尺寸,达,达,，,，采,用,用米,字,字型,电,电极,，,，其,工,工作,电,电流,为,为,时,时，,输,输出,光,光功,率,率达,到,到,W,。,。,国内情况,我国,台,台湾,省,省是,世,世界,上,上开,发,发生,产,产各,类,类,器,器件,的,的主,要,要地,区,区之,一,一。,继,继国,联,联光,电,电研,制,制成,大,大功,率,率,-,之,之后,，,，光,鼎,鼎电,子,子也,成,成功,开,开发,了,了白,光,光与,各,各种,色,色光,的,的功,率,率型,器,件,件，,并,并投,入,入了,批,批量,生,生产,。,。这,类,类器,件,件在,不,不附,加,加额,外,外热,时,时，,可,可通,过,过,的,的工,作,作电,流,流，,红,红、,黄,黄、,蓝,蓝绿,光,光的,光,光通,量,量分,别,别为,与,。,我国,大,大陆,较,较晚,开,开展,超,超高,亮,亮度,红,红、,黄,黄与,蓝,蓝绿,光,光器,件,件的,研,研制,工,工作,，,，目,前,前上,海,海大,晨,晨光,电,电的,功,功率,型,型器,件,件开,发,发工,作,作也,达,达到,了,了一,定,定的,水,水平,。,。,金属,有,有机,化,化合,物,物汽,相,相淀,积,积（,）,采用,金,金属,有,有机,化,化合,物,物汽,相,相淀,积,积的,外,外延,生,生长,技,技术,和,和多,量,量子,阱,阱结,构,构增,大,大芯,片,片面,积,积，,从,从而,加,加大,芯,芯片,的,的工,作,作电,流,流，,提,提高,芯,芯片,的,的整,体,体功,率,率。,单,单芯,片,片,、,和,和,的,大,大功,率,率,向,向功,率,率高,至,至,，,，具,有,有更,高,高发,光,光效,率,率、,经,经济,实,实用,的,的固,态,态,照,照明,光,光源,。,。,晶片,键,键合,（,（W,B,）,）,采用,新,新型,封,封装,结,结构,的,的主,要,要目,标,标是,提,提高,光,光电,功,功率,转,转换,效,效率,。,。目,前,前采,用,用晶,片,片键,合,合以,透,透明,的,的,衬,衬底,（,（,）,取,取代,吸,吸光,的,的,衬,底,底（,）,）的,倒,倒梯,形,形结,构,构的,功,功率,型,型大,面,面积,芯,芯片,，,，工,作,作电,流,流可,达,达,，,，光,通,通量,大,大于,，,，以,脉,脉冲,方,方式,工,工作,时,时，,则,则可,达,达,。,。,采用,（,）,）纹,理,理表,面,面结,构,构的,新,新一,代,代功,率,率型,芯,片,片，,可,可以,获,获得,大,大于,的,外,外量,子,子效,率,率，,其,其基,本,本性,能,能与,结,结构,的,的,相,相当,，,，不,仅,仅可,取,取代,常,常,规,规的,方,方形,芯,芯片,，,，而,且,且还,可,可以,很,很容,易,易按,比,比例,放,放大,成,成为,功,功率,型,型的,大,大尺,寸,寸芯,片,片，,因,因此,在,在降,低,低生,产,产成,本,本和,实,实现,产,产业,化,化规,模,模生,产,产方,面,面，,纹,纹理,表,表面,高,高效,取,取光,结,结构,的,的,（,（,）,具,有,有广,阔,阔的,发,发展,前,前景,。,。,功率,型,型led,产,产业,化,化的,关,关键,技,技术,芯片,结,结构,设计,新,新的,芯,芯片,结,结构,目,目标,是,是提,高,高取,光,光效,率,率。,功,功率,型,型,所,所用,的,的外,延,延材,料,料，,虽,虽然,其,其内,量,量子,效,效率,还,还需,进,进一,步,步提,高,高，,但,但获,得,得高,发,发光,通,通量,的,的最,大,大障,碍,碍乃,是,是芯,片,片的,取,取光,效,效率,低,低，,其,其原,因,因是,半,半导,体,体与,封,封装,环,环氧,的,的折,射,射率,相,相差,较,较大,，,，致,使,使内,部,部的,全,全反,射,射临,界,界角,很,很小,。,。,目前,，,，按,照,照常,规,规理,念,念设,计,计的,超,超高,亮,亮度,远,远,远不,能,能满,足,足固,体,体照,明,明所,需,需的,光,光通,量,量。,为,为提,高,高,的,的光,通,通量,，,，满,足,足固,体,体照,明,明的,要,要求,，,，必,须,须采,用,用新,的,的设,计,计理,念,念，,用,用倒,装,装焊,新,新结,构,构来,提,提高,芯,芯片,的,的取,光,光效,率,率，,从,从而,获,获得,较,较高,的,的光,通,通量,。,。,生产工艺,（1）金,属,属有机化,合,合物汽相,淀,淀积（,）,）；,（2）多,量,量子阱结,构,构；,（3）倒,装,装焊接；,（4）晶,片,片键合；,（5）纹,理,理表面结,构,构；,（6）动,态,态自适应,粉,粉涂布量,控,控制。,功率型led产业,化,化的关键,技,技术如下,国内外市,场,场竞争力,功率型,产品,已,已获市场,认,认可，供,不,不应求，,目,目前产销,矛,矛盾突出,。,。在技术,路,路线正确,，,，技术指,标,标先进，,技,技术分析,可,可行的前,提,提下，确,定,定合理的,生,生产规模,，,，其产业,化,化的目标,是,是能够实,现,现的。,功率型,项目,是,是高技术,、,、高投入,、,、高产出,项,项目，在,国,国内外市,场,场上都具,有,有相当的,竞,竞争能力,。,。目前所,用,用功率型,芯,片,片基本依,靠,靠进口，,如,如果本国,功,功率型,产业,化,化后产能,大,大幅提高,，,，可以大,大,大减少进,口,口，节省,大,大量外汇,，,，并可打,入,入国际市,场,场，能取,得,得较好的,经,经济效益,和,和社会效,益,益。,次级贴装,示,示意图,LED特,点,点,耗电量少,，,，白炽灯,的,的1/8,，,，荧光灯,的,的50,；,；,发光效率,高,高，可达,到,到50200lm/W；,体积小，,重,重量轻，,稳,稳定性好,，,，寿命达10万小,时,时；,使用低压,电,电源，安,全,全可靠；,生产和使,用,用过程中,无,无污染，,有,有利于环,保,保。,LED被,称,称为第四,代,代照明光,源,源或绿色,光,光源,广东省,节,节能减排,科,科技行动,计,计划中,，,，将LED产业化,和,和推广应,用,用作为节,能,能减排的,主,主要任务,之,之一,LED中,，,，约80,的能量,转,转化为热,能,能；其光,谱,谱中，不,包,包含红外,部,部分，热,量,量不能靠,辐,辐射散出,。,。 芯片,体,体积小，,结,结构紧凑,，,，局部热,流,流密度大,，,，热量不,宜,宜释放。,结温与相,对,对出光率,关,关系,LED,结温上升,发光效率,降,降低,可靠性差,，,，使用寿,命,命降低,发热量更,大,大,散热问题,是,是当前半,导,导体照明,技,技术发展,的,的技术瓶,颈,颈！,功率型散热技术,大功率LED的散,热,热问题,例如，1,个,个10W,白,白光LED若其光,电,电转换效,率,率为20%，则有8W的电,能,能转换成,热,热能，若,不,不加散热,措,措施，则,大,大功率LED的器,芯,芯温度会,急,急速上升,，,，当其结,温,温（T,J,）上升超,过,过最大允,许,许温度时,（,（一般是150,）,），大功,率,率LED,会,会因过热,而,而损坏。,因,因此在大,功,功率LED灯具设,计,计中，最,主,主要的设,计,计工作就,是,是散热设,计,计。,散热技术,传统的指,示,示灯型LED封装结构,，,，一般是,用,用导电或,非,非导电胶,将,将芯片装,在,在小尺寸,的,的反射杯,中,中或载片,台,台上，由,金,金丝完成,器,器件的内,外,外连接后,用,用环氧树,脂,脂封装而,成,成，其热,阻,阻高达250/W300/W,新的功,率,率型芯片,若,若采用传,统,统式的LED封装形式,，,，将会因,为,为散热不,良,良而导致,芯,芯片结温,迅,迅速上升,和,和环氧碳,化,化变黄，,从,从而造成,器,器件的加,速,速光衰直,至,至失效，,甚,甚至因为,迅,迅速的热,膨,膨胀所产,生,生的应力,造,造成开路,而,而失效。,散热研究,发,发展状况,解决方法,：,：,(A)改,进,进LED,芯,芯片、封,装,装的结构,和,和材料;,上游产业,完,完成,(B)系统集成,，,，主要针,对,对灯具散,热,热方式，,提,提高换热,功,功率。,散热路径,热是从温,度,度高处向,温,温度低处,散,散热。大,功,功率LED主要的,散热路径,是,是,：管芯,散,散热垫,印,印制板敷,铜,铜层印,制,制板环,境,境空气。,在热的传,导,导过程中,，,，各种材,料,料的导热,性,性能不同,，,，即有不,同,同的热阻,。,。若管芯,传,传导到散,热,热垫底面,的,的热阻为,R,JC,（LED,的,的热阻）、散热垫,传,传导到PCB面层,敷,敷铜层的,热,热阻为,R,CB,、PCB,传,传导到环,境,境空气的,热,热阻为R,BA,则从管芯,的,的,结温,T,J,传导到,空气,T,A,的总热阻R,JA,与各热阻,关,关系为：,R,JA,=R,JC,+R,CB,+R,BA,各热阻的,单,单位是/W。,可,可以这样,理,理解：热,阻,阻越小，,其,其导热性,能,能越好，,即,即散热性,能,能越好。,如果LED的散热,垫,垫与PCB的敷铜,层,层采用回,流,流焊焊在,一,一起，则R,CB,=0，则,上,上式可写,成,成：,R,JA,=R,JC,+R,BA,散热的计,算,算公式,若结温为T,J,、环境温,度,度为T,A,、LED,的,的功耗为P,D,则R,JA,与T,J,、T,A,及P,D,的关系为,：,：,R,JA,=（T,J,T,A,）/P,D,(1)式中P,D,的单位是W。P,D,与LED,的,的正向压,降,降V,及LED,的,的正向电,流,流I,F,的关系为,：,：P,D,=V,F,I,F,(2)如果已测,出,出LED散热垫的,温,温度T,C,，则(1)式可写,成,成：R,JA,=(T,J,T,C,)/P,D,+(T,C,T,A,)/P,D,则R,JC,=(T,J,T,C,)/P,D,(3)R,BA,=(T,C,T,C,)/P,D,(4),散热计算,举,举例,例:已知3W白光LED，R,JC,=16,O,C/W，K型热电,偶,偶点温度,计,计测量头,焊,焊在散热,垫,垫上。,PCB试,验,验板：双,层,层铜板40*40*1.6mm,LED,工,工作状态,：,：I,F,=500mA，V,F,=3.97V,K型热电,偶,偶点温度,计,计测T,C,=71,O,C.,T,J,=R,JC,*P,D,+,T,C,=R,JC,*I,F,*V,F,+,T,C,=16(0.500*3.97)+71=103,O,C,R,BA,=(T,C,-T,A,)/P,D,=(71-25)/(0.5*3.97)=23.1,O,C/W,R,JA,=,R,JC,+R,BA,=16+23.1=39.1,O,C/W,如果设,计,计的T,J,=90,O,C,则,按,按上条,件,件不能,满,满足设,计,计要求,需改,换散热,更,更好的P,CB,板或增,大,大散热,面,面积并,再,再一次,试,试验和,计,计算,直,直到满,足,足T,J,T,JMAX,为止.,另一方,法,法是,更,更换LED的,R,JC,太大产,品,品如,R,JC,=9,O,C/W,T,J,=,=,R,JC,*,I,F,*,V,F,+,T,C,=9(0.5*3.97)+71=87.4,O,C,作业,已知3W白光LED,，,，R,JC,=12,O,C/W,，,，K型,热,热电偶,点,点温度,计,计测量,头,头焊在,散,散热垫,上,上。PCB试,验,验板：,双,双层铜,板,板35*35*1.2mm,LED,工,工作状,态,态：I,F,=600mA,，,，V,F,=3.9V,K型热,电,电偶点,温,温度计,测,测T,C,=80,O,C.如,果,果设计,的,的T,J,=95,O,C,则,按,按上条,件,件能否,满,满足设,计,计要求,吗,吗？解,决,决办法,？,？,简式鳍,片,片法、,主,主动散,热,热法、,传,传统热,管,管技术,简式鳍,片,片法,主动散,热,热法,传统热,管,管技术,当前主,要,要散热,方,方法：,散热方,式,式对比,LED,散,散热处,理,理方案,1)小,功,功率的,环,环氧树,脂,脂散热,法,法,2)铝,基,基板（,缺,缺点：,金,金属热,膨,膨胀系,数,数很大,与,与低膨,胀,胀陶瓷,芯,芯片焊,接,接易受,热,热冲击,，,，发生,不,不调协,）,）,3）陶,瓷,瓷基板,（,（是新,一,一代散,热,热材料,，,，散热,佳,佳，耐,高,高温，,价,价高数,倍,倍）,4）导,热,热硅脂,（,（用耒,向,向散热,片,片传导LED,散,散发出,耒,耒的热,量,量。）,产品的,散,散热设,计,计,设计理,论,论,傅立叶,定,定律：,牛顿冷,却,却定律,：,：,根据散,热,热要,求（一,般,般要求PCB,板,板的温,度,度T，,达,达到某,个,个特定,值,值），,利,利用上,述,述公式,，,，计算,出,出所需,的,的散热,表,表面积A,灯具结,构,构设计,散热表,面,面积A,设计散,热,热翅片,（包括,翅,翅片的,厚,厚度、,长,长度、,宽,宽度、,间距以,及,及数目,等,等）,模拟优,化,化,样品加,工,工与测,试,试,产品,发展趋,势,势 -,新,新型,热,热管技,术,术,自激式,振,振荡流,热,热管,环路热,管,管,它们作,为,为传统,热,热管技,术,术的延,伸,伸，也,是,是依靠,液,液体相,变,变实现,换,换热的,，,，传热,能,能力较,烧,烧结热,管,管提高20-30,，,，具有,传,传热效,率,率高、,结,结构简,单,单、成,本,本低、,适,适应性,好,好、热,输,输运距,离,离远等,特,特点，,是,是解决,大,大功率LED,灯,灯散热,问,问题最,为,为有效,的,的解决,方,方案。,大功率,LED,是在小,功,功率的,基,基础上,，,，根据,生,生产生,活,活的需,要,要而发,展,展起来,的,的，在,封,封装上,受,受其影,响,响很大,，,，比如,大,大功率,传,传统的,封,封装。,这,这会大,大,大的减,弱,弱大功,率,率的使,用,用效果,。,。随着,对,对,led,照明的,需,需求，,加,加上技,术,术的发,展,展，这,方,方面会,有,有比较,大,大的突,破,破，比,如,如解决,散,散热问,题,题，解,决,决出光,问,问题等,。,。,LED,封装是,一,一个涉,及,及到多,学,学科,(,如光学,、,、热学,、,、机械,、,、电学,、,、力学,、,、材料,、,、半导,体,体等,),的研究,课,课题。,从,从某种,角,角度而,言,言，,LED,封装不,仅,仅是一,门,门制造,技,技术,(Technology),，而且,也,也是一,门,门基础,科,科学,(Science),，良好,的,的封装,需,需要对,热,热学、,光,光学、,材,材料和,工,工艺力,学,学等物,理,理本质,的,的理解,和,和应用,。,。,LED,封装设,计,计应与,芯,芯片设,计,计同时,进,进行，,并,并且需,要,要对光,、,、热、,电,电、结,构,构等性,能,能统一,考,考虑。,在,在封装,过,过程中,，,，虽然,材,材料,(,散热基,板,板、荧,光,光粉、,灌,灌封胶,),选择很,重,重要，,但,但封装,结,结构,(,如热学,界,界面、,光,光学界,面,面,),对,LED,光效和,可,可靠性,影,影响也,很,很大，,大,大功率,白,白光,LED,封装必,须,须采用,新,新材料,，,，新工,艺,艺，新,思,思路。,对,对于,LED,灯具而,言,言，更,是,是需要,将,将光源,、,、散热,、,、供电,和,和灯具,等,等集成,考,考虑。,结束语,演讲完,毕,毕，谢,谢,谢观看,！,！,