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航空障礙燈LED固態(tài)光源的散熱改善方式

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• 發(fā)布時間：2014-04-01
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 LED固態(tài)光源的運作溫度如何有效散逸，會影響整個光源應(yīng)用的照明效能、裝W壽命、能源利用效能等重要關(guān)鍵，而改善散熱的方式可自品片層級的技術(shù)、電路板層級的技術(shù)、封裝LED品粒的技術(shù)去改善。由于傳統(tǒng)的晶片制法，在晶片層級的散熱處理方面，多以藍寶石作為基板進行設(shè)計，而藍寶石基板的熱傳導(dǎo)系數(shù)接近20W/mK.其實很難將LED'"'磊晶產(chǎn)生的熱快速散出，在針對LED晶片級的散熱強化處理，尤其是針對高亮度、高功率的航空障礙燈LED元件方面.目前主流的作法，是有效利用KI品將磊晶的熱傳導(dǎo)出來，即使用授晶(Flip-Chip)的形式。另外的方式，因航空障礙燈LED元件上下兩端都設(shè)有金屬電極，可采行“垂直”電極的方式去制作LEI)元件，此可在散熱的問題上得到更大的助益。例如，GaN墓板為導(dǎo)電材質(zhì)，采用GaN基板作為材料，基板下方可直接做電極進行連接，即可得到快速散逸磊品溫度的效益，但這種作法會比傳統(tǒng)藍寶石基板作法的成本貴上許多，因為材料成本較高，元件的制作成本亦會增加。對封裝層級的散熱強化作法，LED制作過程，整個LED可利用光學(xué)等級的環(huán)氧樹脂來包住，增大航空障礙燈LED元件機械強度，保護元件內(nèi)的相關(guān)線路，但環(huán)氧樹脂的作法雖可提升元件強度，卻同時限制了元件的溫度操作范圍，因為高溫下使用光學(xué)級的環(huán)氧樹脂，會因強光或高溫，讓環(huán)氧樹脂的材質(zhì)本身和光學(xué)特性劣化。芯片層面減少管芯熱阻是LED器件的熱量處理方法外，對封裝而言，降低封裝后器件的熱阻應(yīng)設(shè)計合理熱沉、采用高熱導(dǎo)率的封裝材料、采用多芯片封裝、優(yōu)化驅(qū)動電源等，使器件性能提高。非成像光學(xué)是針對LED封裝的光學(xué)研究。半導(dǎo)體照明光源應(yīng)用的重要研究內(nèi)容就是利用非成像光學(xué)設(shè)計，滿足特定要求的LED光學(xué)系統(tǒng)。目前封裝改善方式，傳統(tǒng)的炮彈式封裝技術(shù)僅在多數(shù)中低功率的航空障礙燈LED元件中才使用，對于高功率、高亮度的航空障礙燈LED元件，多改用LumiledsLuxeon系列封裝法，將散熱路徑集中于下方的金屬，內(nèi)部的封裝改用光學(xué)特性和耐高溫、耐強光表現(xiàn)較優(yōu)異的矽樹脂去進行封裝，此封裝法可獲得較佳的機械強度表現(xiàn)，同時其內(nèi)部對高溫、高強度藍光LED、紫外線照射有更強大的耐受能力。以下是封裝光學(xué)設(shè)計實例在投射照明系統(tǒng)中的應(yīng)用。投射照明系統(tǒng)的光源要有準直、高效的遠場分布。若通過LED光源與附加準直透鏡相結(jié)合實現(xiàn)準直光場分布，即采用二次光學(xué)元件，不但系統(tǒng)體積增加，且LED和二次元件間會存有空氣隙，出現(xiàn)額外的反射損耗。LED芯片封裝時的樹脂透鏡需重新設(shè)計，確保LED在封裝的同時實現(xiàn)準直：準直透鏡的二維、三維模型首先采用編程方式計算，其光場分布利用蒙特卡羅方法計算，設(shè)計模型利用計算結(jié)果修正，相應(yīng)的準直透鏡待符合要求后制作。比較采用傳統(tǒng)二次元件系統(tǒng)的光場分布及利用直接準直LED光源的光場分布，該準直透鏡的亮度半高全角的理論值為9．8。，實測值為12．8。，其出光效率為90％。準直LED光源陣列的應(yīng)用效果已實現(xiàn)。強調(diào)說明，此封裝結(jié)構(gòu)能簡單組合構(gòu)成大面積陣列，具有很強的可擴展性，滿足不同的應(yīng)用需求。LED的封裝問題，除光學(xué)封裝設(shè)計、熱學(xué)處理外，值得探討與研究的相關(guān)技術(shù)還有高熱導(dǎo)率低損耗封裝樹脂材料、穩(wěn)定有效驅(qū)動電源模塊、新型高轉(zhuǎn)換效率熒光粉材料等。因傳統(tǒng)光源和LED光源形貌上差別很大，如何在外觀上為市場接受，也成為封裝需解決的技術(shù)問題。電路板層級的散熱改善，熱傳導(dǎo)性能中上表現(xiàn)的一般會采取n金屬基FR4(PCB))制作，如IntegratedMetalSubstrate(IMS)、MCPCB處理，進階高效能熱傳導(dǎo)能力的會采取陶瓷基板(Ceramic)去制作。FR4(PCB)優(yōu)勢為低成本，可導(dǎo)熱效能相對較差，多用于低功率的LED裝載方面。金屬基PCB(IMS、MCPCB)因操作溫度高，例如MCPCB結(jié)構(gòu)由銅箔層、鋁基板、絕緣(介電1層構(gòu)成，一般銅箔層(電路)為1．0～4．0盎司、鋁基板(金屬核心)層厚度在1mm3．2mm、絕緣(介電)層為7．5um～150um左右厚度，可用在攝氏140度環(huán)境下，為中高價位的制作成本。陶瓷基板(Ceramic)的成本和單價更高，因為陶瓷可讓乘載的晶片更為匹配，其熱膨脹系數(shù)表現(xiàn)佳，但無法用在大面積的電路，對于LED光源應(yīng)用面，多數(shù)僅用于承載航空障礙燈LED元件的區(qū)塊電路使用，來提升熱傳導(dǎo)效率。除前述常見乘載的電路板外，其實還有相對多款具較佳熱傳導(dǎo)技術(shù)的基板技術(shù)，例如陶瓷基板(氧化鋁)、軟式印刷電路板、鋁鎂合金、金屬基復(fù)合材料基板、直接鋼接合基板(DBC)等技術(shù)，但部分技術(shù)仍有制程、成本或裝載方面的考量，必須視最終成品的實際熱流模型限制與改善幅度是否值得更換載板而定。

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