论文部分内容阅读
【摘 要】LED光源日益成为新一代照明光源，本文分析了LED光源的特点与应用领域，探讨了该技术的发展趋势，并研究了LED光源中关键的散热技术。
【关键词】LED光源 特点 散热技术
发光二极管（Light Emitting Diode）是一种由半导体材料制成的发光元器件，简称LED， 能够将电能转化为可见光，属于固态冷光源。大功率LED具有高效、节能、环保、寿命长、可靠性高等优点，其技术性能指标已经或正在超过传统的照明光源（荧光灯、钠灯等），日益成为主流的新一代照明光源。
一、LED光源的特点与应用领域
与传统光源相比较，LED光源具有如下优点：寿命超长，可达几万小时，而传统光源一般为几千小时；结构坚固，没有钨丝、玻壳等容易损坏的部件，具有极高的抗震性能；响应速度快；易实现调光和智能控制；耐开关冲击，适用于频繁开关场合；高效节能，现有光效己经超过白炽灯，理论光效可达200lm/W；不含汞、铅等有害物质，没有污染，绿色环保。与白炽灯相比，LED在效率、节能、灯具设计等方面都有足够的优势。从结构特性来说，由于LED体积小，可以为一般照明系统提供更大的设计自由度。
同白炽灯、荧光灯比较，LED光源，特别是大功率白光LED的节能环保特性是最吸引人目光的。与白炽灯比较，理论上白光LED照明可节电80%～90%，与荧光灯比较白光LED可节电50%，理论寿命可达8～10万小时，是白炽灯的20～30倍，是荧光灯的10倍[1]。从节能减排的角度出发，LED照明改进传统照明技术具有不可忽视的发展意义。以替代250瓦钠灯来估算，1盏LED灯具1年可以节约430度电，年减少二氧化碳排放量0.662吨。
LED照明是21世纪最引人注目的新技术，它涉及到材料、器件结构、光学设计封装技术与工艺、灯具设计、照明光环境等多个技术领域。全球正在开展着一场以LED为主导的技术革命，LED产业涉及城市建设和千家万户，是关系到国民经济和社会发展的基础性、战略性产业，在一个国家的国民经济中占有重要地位，具有巨大的市场需求，LED已经进入包括宇航、飞机、汽车、工业应用、通信、消费类产品等诸多应用领域，广泛用于普通照明、汽车灯具、景观照明、路灯照明、大屏幕显示、背光源等，半导体光源在照明领域具有极其广阔的应用市场与发展前景。
二、大功率LED技术的发展趋势
大功率LED具有体积小、耗电量小、寿命长、反应速度快、环保等优点，没有白炽灯高耗电、易碎的缺点，也没有日光灯废弃物的汞污染等缺点，被业界看作替代传统照明灯具的潜力商品。LED光源的主要发展趋势是：微小体积的高效节能光源并提高发光效率，电光源的显色性改善，使用寿命延长。当前单颗LED的光通量增长率明显，单颗LED技術趋势向大功率、高发光效率、高亮度、低成本的方向发展。
从市场发展情况看，高亮度LED仍然是主要产品类型，高亮度LED在亮度、发光效率方面的持续增长，使其应用领域持续扩张。半导体照明产品发光效率及应用领域是一个演变过程，目前LED已从指示灯、手机背光、显示屏、交通信号灯等成熟应用领域，逐步采用大功率LED在中大尺寸LCD背光、汽车、照明等新兴应用市场渗透应用，中大尺寸液晶背光和汽车灯用LED正在成为增长最快的应用市场。随着光效的进一步持续提高，LED固体照明无疑将应用于更广泛的领域。
家庭用的照明灯具采用白光LED是科技发展趋势。表1对家庭用照明灯的发光效率及平均寿命进行了比较。如表可知，家庭用白光LED照明灯发光效率高、使用寿命长是不争的事实，只是目前还需等待产业化生产的技术成熟和成本的进一步下降。荧光节能灯从产品诞生到进入千家万户百姓家庭普及也差不多经历了十年的时间。
表1 家用照明灯发光效率及平均寿命的比较
三、大功率LED的散热技术特性分析
LED的光学参数与PN结温度有很大的关系。LED的发光效率随温度升高而下降，一般芯片温度超过125℃将失效。但工作电流IF < 10mA，或者在10-20mA长时间连续点亮LED温升不明显。若环境温度较高，LED的主波长就会向长波长漂移，还会引起LED封装材料（例如环氧、荧光粉等）物理性能的变化，寿命也会减少。LED的主波长随温度关系可表示为。由式可知，每当结温升高10℃，则波长向长波漂移1nm，且发光的均匀性、一致性变差。
（1）提高芯片散热能力：
对于目前技术成熟的功率型LED，其电光转化效率一般也不到30%，即输入的电能多于70%都转化成了热能，芯片的功率密度很大[2]。目前在不可能提高LED芯片光电转换效率的情况下，可以考虑提高芯片的散热能力。与传统的电子器件不同，LED的发光光谱中不包含红外部分，所以其热量不能依靠辐射释放。这是外部散热器要解决的主要问题。
设计中所限制的是，LED的芯片尺寸很少。目前市场上技术比较成熟的功率型LED芯片尺寸都在1mm2～2.5mm2之间，体积与功率相比，其功率密度很大，热容量很小，所以引起的温升比较明显。此外与传统的照明器件不同，白光LED的发光光谱中不包括红外部分，所以器件产生的热量不能依靠辐射释放出去。所产生的热量大部分都转化为能量，使芯片本身温度升高[3]。
（2）器件结温控制技术
由于LED属于半导体发光器件，随着温度的变化，半导体器件的特性会有明显的变化，LED光输出随温度变化的曲线如图1。从图中可知，当器件结温上升到75℃时，其光输出相对于室温时就会下降15%左右。当结温上升到140℃左右时，光输出降低30%。LED的寿命是以其光通量衰减来计算，一般取光通量衰减为初始值70%的工作时间作为其寿命，从温度与光输出的规律可知，高结温必然会缩短LED的寿命[4]。
LED结温的升高会导致器件光性能的变化与衰减，这种变化主要体现在三个方面：减少LED的内量子效率，缩短器件的寿命，造成LED发出光的主波长的偏移。器件的内量子效率是与LED的光效有直接相关的量，内量子效率的下降会影响光电转换效率，导致LED出光量减少，发光效率降低。随着器件PN结温度的上升，LED器件的发光主波长会向长波方向移动，导致光源的颜色发生偏移，也称为红移。对白光LED，在100℃的温度下，波长可以红移4～9nm，从而导致YAG荧光粉吸收率下降，也会导致LED输出光通量的减少[4]。
（3）降低散热器材料热阻技术：
所谓热阻就是器件对散热所产生的阻力。通常将两个节点之间单位热功率输运所产生的温度差定义为两个节点间的热阻。在照明用半导体光源功率LED中，热阻作为导热性能的衡量指标，是一个重要的特征参量。它不仅与器件和灯具的寿命有关，还直接影响到发光效率。LED的发光效率随温度升高而降低，而高热阻会导致LED的温度升高。如果热阻较大，即使功率器件的发光效率高，用其做灯具工作时，发光效率下降也会相当严重。
由上所知，LED的PN结温度及壳体散热问题尤为重要。PN结温与灯体温度差异越大，那么热阻越大，随之光能被转换成热能白白消耗掉，严重时LED损坏。一个好的结构工程师，不仅要考虑灯具的外形是否合理、时尚、新颖，还要考虑灯具的结构与LED的热阻，在灯具系统的可靠性和可维护性以及实用性中达到平衡，既要站在用户的角度去考量产品需求，又要站在设计者的角度去思考产品最佳性能。
四、 总结
对于LED，如果热量集中在尺寸很小的芯片内而不能有效散出，就会导致芯片温度升高，引起热应力的非均匀分布、芯片的失效率也会上升。当温度超过一定值，器件的失效率将呈指数规律攀升，元件温度上升，可靠性会迅速下降。光效、色温、寿命，这些参数都是在照明应用中非常重要的指标，因此控制LED灯具的温升，寻找合理的散热设计是亟需解决的关键技术之一。
参考文献：
[1]周志敏等. LED照明技术与应用电路[M]. 北京： 电子工业出版社. 2009.6-7.
[2]张万路，江磊，江程，陈郁阳，刘木清.LED道路灯具散热系统分析[J].中国照明电器，2009（2）：6-10.
[3]周跃平，郭靛，王海玲等. GaN基发光二极管寿命测试及失效分析[J].半导体光电，2007，28（3）：345-348.
[4]林亮，陈志忠，陈挺等. 白光LED的加速老化特性[J]. 发光学报2005. 26（5）：617-621.
【关键词】LED光源 特点 散热技术
发光二极管（Light Emitting Diode）是一种由半导体材料制成的发光元器件，简称LED， 能够将电能转化为可见光，属于固态冷光源。大功率LED具有高效、节能、环保、寿命长、可靠性高等优点，其技术性能指标已经或正在超过传统的照明光源（荧光灯、钠灯等），日益成为主流的新一代照明光源。
一、LED光源的特点与应用领域
与传统光源相比较，LED光源具有如下优点：寿命超长，可达几万小时，而传统光源一般为几千小时；结构坚固，没有钨丝、玻壳等容易损坏的部件，具有极高的抗震性能；响应速度快；易实现调光和智能控制；耐开关冲击，适用于频繁开关场合；高效节能，现有光效己经超过白炽灯，理论光效可达200lm/W；不含汞、铅等有害物质，没有污染，绿色环保。与白炽灯相比，LED在效率、节能、灯具设计等方面都有足够的优势。从结构特性来说，由于LED体积小，可以为一般照明系统提供更大的设计自由度。
同白炽灯、荧光灯比较，LED光源，特别是大功率白光LED的节能环保特性是最吸引人目光的。与白炽灯比较，理论上白光LED照明可节电80%～90%，与荧光灯比较白光LED可节电50%，理论寿命可达8～10万小时，是白炽灯的20～30倍，是荧光灯的10倍[1]。从节能减排的角度出发，LED照明改进传统照明技术具有不可忽视的发展意义。以替代250瓦钠灯来估算，1盏LED灯具1年可以节约430度电，年减少二氧化碳排放量0.662吨。
LED照明是21世纪最引人注目的新技术，它涉及到材料、器件结构、光学设计封装技术与工艺、灯具设计、照明光环境等多个技术领域。全球正在开展着一场以LED为主导的技术革命，LED产业涉及城市建设和千家万户，是关系到国民经济和社会发展的基础性、战略性产业，在一个国家的国民经济中占有重要地位，具有巨大的市场需求，LED已经进入包括宇航、飞机、汽车、工业应用、通信、消费类产品等诸多应用领域，广泛用于普通照明、汽车灯具、景观照明、路灯照明、大屏幕显示、背光源等，半导体光源在照明领域具有极其广阔的应用市场与发展前景。
二、大功率LED技术的发展趋势
大功率LED具有体积小、耗电量小、寿命长、反应速度快、环保等优点，没有白炽灯高耗电、易碎的缺点，也没有日光灯废弃物的汞污染等缺点，被业界看作替代传统照明灯具的潜力商品。LED光源的主要发展趋势是：微小体积的高效节能光源并提高发光效率，电光源的显色性改善，使用寿命延长。当前单颗LED的光通量增长率明显，单颗LED技術趋势向大功率、高发光效率、高亮度、低成本的方向发展。
从市场发展情况看，高亮度LED仍然是主要产品类型，高亮度LED在亮度、发光效率方面的持续增长，使其应用领域持续扩张。半导体照明产品发光效率及应用领域是一个演变过程，目前LED已从指示灯、手机背光、显示屏、交通信号灯等成熟应用领域，逐步采用大功率LED在中大尺寸LCD背光、汽车、照明等新兴应用市场渗透应用，中大尺寸液晶背光和汽车灯用LED正在成为增长最快的应用市场。随着光效的进一步持续提高，LED固体照明无疑将应用于更广泛的领域。
家庭用的照明灯具采用白光LED是科技发展趋势。表1对家庭用照明灯的发光效率及平均寿命进行了比较。如表可知，家庭用白光LED照明灯发光效率高、使用寿命长是不争的事实，只是目前还需等待产业化生产的技术成熟和成本的进一步下降。荧光节能灯从产品诞生到进入千家万户百姓家庭普及也差不多经历了十年的时间。
表1 家用照明灯发光效率及平均寿命的比较
三、大功率LED的散热技术特性分析
LED的光学参数与PN结温度有很大的关系。LED的发光效率随温度升高而下降，一般芯片温度超过125℃将失效。但工作电流IF < 10mA，或者在10-20mA长时间连续点亮LED温升不明显。若环境温度较高，LED的主波长就会向长波长漂移，还会引起LED封装材料（例如环氧、荧光粉等）物理性能的变化，寿命也会减少。LED的主波长随温度关系可表示为。由式可知，每当结温升高10℃，则波长向长波漂移1nm，且发光的均匀性、一致性变差。
（1）提高芯片散热能力：
对于目前技术成熟的功率型LED，其电光转化效率一般也不到30%，即输入的电能多于70%都转化成了热能，芯片的功率密度很大[2]。目前在不可能提高LED芯片光电转换效率的情况下，可以考虑提高芯片的散热能力。与传统的电子器件不同，LED的发光光谱中不包含红外部分，所以其热量不能依靠辐射释放。这是外部散热器要解决的主要问题。
设计中所限制的是，LED的芯片尺寸很少。目前市场上技术比较成熟的功率型LED芯片尺寸都在1mm2～2.5mm2之间，体积与功率相比，其功率密度很大，热容量很小，所以引起的温升比较明显。此外与传统的照明器件不同，白光LED的发光光谱中不包括红外部分，所以器件产生的热量不能依靠辐射释放出去。所产生的热量大部分都转化为能量，使芯片本身温度升高[3]。
（2）器件结温控制技术
由于LED属于半导体发光器件，随着温度的变化，半导体器件的特性会有明显的变化，LED光输出随温度变化的曲线如图1。从图中可知，当器件结温上升到75℃时，其光输出相对于室温时就会下降15%左右。当结温上升到140℃左右时，光输出降低30%。LED的寿命是以其光通量衰减来计算，一般取光通量衰减为初始值70%的工作时间作为其寿命，从温度与光输出的规律可知，高结温必然会缩短LED的寿命[4]。
LED结温的升高会导致器件光性能的变化与衰减，这种变化主要体现在三个方面：减少LED的内量子效率，缩短器件的寿命，造成LED发出光的主波长的偏移。器件的内量子效率是与LED的光效有直接相关的量，内量子效率的下降会影响光电转换效率，导致LED出光量减少，发光效率降低。随着器件PN结温度的上升，LED器件的发光主波长会向长波方向移动，导致光源的颜色发生偏移，也称为红移。对白光LED，在100℃的温度下，波长可以红移4～9nm，从而导致YAG荧光粉吸收率下降，也会导致LED输出光通量的减少[4]。
（3）降低散热器材料热阻技术：
所谓热阻就是器件对散热所产生的阻力。通常将两个节点之间单位热功率输运所产生的温度差定义为两个节点间的热阻。在照明用半导体光源功率LED中，热阻作为导热性能的衡量指标，是一个重要的特征参量。它不仅与器件和灯具的寿命有关，还直接影响到发光效率。LED的发光效率随温度升高而降低，而高热阻会导致LED的温度升高。如果热阻较大，即使功率器件的发光效率高，用其做灯具工作时，发光效率下降也会相当严重。
由上所知，LED的PN结温度及壳体散热问题尤为重要。PN结温与灯体温度差异越大，那么热阻越大，随之光能被转换成热能白白消耗掉，严重时LED损坏。一个好的结构工程师，不仅要考虑灯具的外形是否合理、时尚、新颖，还要考虑灯具的结构与LED的热阻，在灯具系统的可靠性和可维护性以及实用性中达到平衡，既要站在用户的角度去考量产品需求，又要站在设计者的角度去思考产品最佳性能。
四、 总结
对于LED，如果热量集中在尺寸很小的芯片内而不能有效散出，就会导致芯片温度升高，引起热应力的非均匀分布、芯片的失效率也会上升。当温度超过一定值，器件的失效率将呈指数规律攀升，元件温度上升，可靠性会迅速下降。光效、色温、寿命，这些参数都是在照明应用中非常重要的指标，因此控制LED灯具的温升，寻找合理的散热设计是亟需解决的关键技术之一。
参考文献：
[1]周志敏等. LED照明技术与应用电路[M]. 北京： 电子工业出版社. 2009.6-7.
[2]张万路，江磊，江程，陈郁阳，刘木清.LED道路灯具散热系统分析[J].中国照明电器，2009（2）：6-10.
[3]周跃平，郭靛，王海玲等. GaN基发光二极管寿命测试及失效分析[J].半导体光电，2007，28（3）：345-348.
[4]林亮，陈志忠，陈挺等. 白光LED的加速老化特性[J]. 发光学报2005. 26（5）：617-621.