LED在商业照明应用中的两种新概念.pdf

解决系统级 LED 热管理难题 热管理对于 LED 的性能和使用寿命至关重要，所以机械设计师在研发初期就要考虑 LED 的散 热问题 美国能源部（DOE）对 LED 做出了如下评价：没有其它照明技术可以具有像 LED 这样大的节能潜力和提升我们建筑环境品质。由于LED的使用寿命是结温的函数， 所以热管理对于 LED 的性能至关重要。位于 California San Jose 的 Philips Lumileds Lighting 应用技术经理 Rudi Hechfellner 说：“到目前为止热管理是 LED 系统设计最重要的一个方面。LED 系统生产商通过寻求优化的散热器、高效 印制电路板、高热导率外壳和其它先进热设计技术来应对这一挑战。由于热仿真 可以在物理模型建立之前，从散热的角度评估不同设计方案和优化系统级设计， 所以热仿真的作用日益凸现。” LED 照明的出现 固态发光是一项新兴的技术，其会在将来从根本上改变照明的形式。LED 设计之 初的功率小于 50 毫瓦。在过去十年间，LED 的功率已经上升为40～80lm/Watt 。 除了能效高之外，LED 的使用寿命也长。根据不同的制造和类型，白色 LED 的 使用寿命可以处于 6000～50000 小时范围内，高于 30000 小时的荧光（灯）管 和 2000 小时的白炽灯泡。此外，LED 可以不使用过滤器就产生单色光。 市场分析公司 Yole Developpement 说：LED 在固态发光市场的收入将由 2007 年的 10 亿美元上升到 2012 年的 103 亿美元。Yole 预计在 2012 年高亮度和超 高亮度结合的 LED 收入将达到 44.5 亿美元，这是 2007 年 7 亿 8 千万的 5.5 倍。 这些固态发光装置已经成为不同应用场合的灯源选择，这些应用场合包括交通信 号灯、汽车和卡车的内部和外部灯、屏幕可见显示器、小型 LCD 背后照明和装 饰照明。必威体育精装版的 Isuppli 报告（参考 1）显示，在一些新的场合也陆续的采用了 LED。 散热挑战 与其它的灯源相比，高功率的 LED 产生了严重的散热问题，这主要是因为 LED 不通过红外辐射进行散热。根据美国能源部门研究显示，用于驱动 LED 的功耗 75 ％～85 ％最终转换为热能。并且必须通过导热的方式将热量由 LED 芯片导入 下部印制电路板、散热器、外壳或者光源结构元件等。美国能源部能效和再生能 源部门得出了一个名为 “Thermal Management of White LEDs” （参考2 ）的报 告。简而言之，过多的热量会减少 LED 的光输出和产生偏色。此外，热管理的 优劣还会产生一些长期的影响，诸如光输出的减少会导致使用寿命的缩短。美国 能源部门表示：制造商通常在 25℃的固定结温下对 LED 进行测试。然而，在通 常情况下结点的温度为 60℃或更高，在这些情况下 LED 灯的输出可能只有额定 的 10％或更少。 对于钨灯泡而言，散热途径是通过热辐射的方式，热量直接由灯丝进入到周围环 境中。LED 装置的主要散热途径是由芯片到系统外壳的导热。LED 装置的制造商 提供了封装级的热管理。对于制造商而言，最为关注的是如何减小芯片到外部封 装的热阻。通常一些小型安装在平板上的 LED 灯有许多引线，这些引线形成了 主要的导热路径，并且对于这些 LED 而言，其芯片到引线的热阻至关重要。 图 1.高功率 LED 封装草图 封装设计依据制造商和 LED 类型变化，但封装的理念却很相似。在这个例子中， LED 芯片通常利用粘结层（bond layer）被贴赋到一个金属连接层（metal interconnect layer），而这个金属连接层又被贴赋到一个陶瓷基座 (Ceramic Substrate)和一个电绝缘导热垫（Thermal Pad ）。整个封装设计的目的是最大化 光学输出和从 LED 芯片背部去除热量。 Hechfellner 说：即便是最高效的 LED 装置也要求为其设计冷却系统。由于传统 的灯源是通过辐射方式进行散热，所以他们不会产生此类散热问题。许多 LED 制造商在电和结构方面有着比热方面更多的经验。工程师们需要改变他们的理 念，并且应该先考虑散热后考虑电。对于 LED 系统制造商而言，现今