大功率白光LED路灯发光板设计与驱动技术

为最大可能提高大功率LED路灯发光板的电光转化率与散热效率,在不影响外量子效率前提下对LED芯片设计采用扩大LED芯片面积,以及电极优化技术增加LED芯片的出光量,使芯片表面热流均匀分布,芯片工作更稳定。分析了大功率白光LED的封装过程对提高芯片取光率、保障白光质量、器件散热技术的综合应用。综合上述技术及有限元分析软件对大功率LED器件封装的热阻分析结果,确定了COB(chip on board)LED芯片的阵列组装技术,为制造LED路灯发光板的最佳技术方案。LED芯片结温很容易控制在120 ℃以下,与外部散热技术兼容性好。通过光线最佳归一化数学模型计算了LED芯片阵列芯片间最佳距离。最后通过对各种白光LED驱动方案的比较,确定了白光LED最佳驱动方案为恒电流驱动脉宽调制(PWM)调节亮度。     

基于开缝基板的大功率LED散热性能研究

为了实现大功率多芯片LED的芯片直装散热(COH)封装的高效散热,提出了一种开缝基板的新型散热结构,并运用Icepak仿真软件模拟分析了在自然对流下不同缝间距对结温、热阻、流场分布和换热特性的影响。结果表明,开缝基板能有效改善流场分布,提高表面换热系数,增加散热性能。在传导和对流的双重作用下,存在最佳缝间距使结温和热阻最低,输入功率为1 W时,结温和热阻分别降低3.2K和1.01K/W。随芯片输入功率的增加,开缝基板的散热效果愈发明显。同时,开缝基板的提出也节省了器件封装成本。     

大功率LED纳米银烧结界面热阻和发光性能

利用纳米银烧结工艺制备大功率LED,重点探究了纳米银键合层的界面热阻及器件发光性能。通过将纳米银膏在不同温度下烧结,系统地研究了烧结温度对纳米银烧结后电阻率及接头剪切强度的影响,并分析了烧结后银膏的晶体结构及接头断口微观形貌。结果表明,接头键合强度和银膜导电率均随纳米银烧结温度的升高而增大。实验中还对比分析了纳米银烧结LED和传统锡银铜（SAC305）焊膏封装LED的界面热阻、结温以及发光性能。与纳米银烧结LED样品相比,传统焊膏封装LED的界面热阻和结温分别提高了8.9%和29.6%,说明纳米银键合层拥有更好的导热性并可及时为芯片散热降温。此外,通过高温老化实验,深入探讨了不同焊膏烧结LED的界面热阻及发光效率变化。实验表明,经过100℃下点亮500 h,纳米银和传统焊膏烧结LED样品的总热阻分别增大了0.03 K/W和4.28 K/W,但纳米银键合层界面热阻比老化前有所降低,同时纳米银烧结LED样品在不同电流下的发光效率始终高于传统焊膏封装LED样品。     

电流阻挡层对大功率LED光电热特性的影响

LED芯片作为LED光源的核心,其质量直接决定了器件的性能、寿命等,因此在内量子效率已达到高水平的情况下,致力于提高光提取效率是推动LED芯片技术发展的关键一步。由于蓝宝石衬底具有绝缘特性,传统LED将N和P电极做在芯片出光面的同一侧,而芯片出光面上的P电极焊盘金属会遮挡吸收其正下方发光区发出的大部分光而造成光损失,为改善这一现象并缓解P电极周围的电流拥挤效应,本文设计制备了在P电极正下方的氧化铟锡(ITO)透明导电层和p-GaN之间插入SiO_2薄膜作为电流阻挡层(CBL)的大功率LED,并与无CBL结构的大功率LED相比较。对未封装的有无CBL结构的LED在350 mA电流下进行正向偏压,辐射通量,主波长等裸芯性能测试,结果显示两种芯片的正向偏压均集中在3～3.1 V,而有CBL结构的LED光输出功率有明显提升,这是因为CBL阻挡了电流在P电极正下方的扩散,减少流向有源区的电流密度,故减小了P电极对光的吸收和遮挡,且电流通过CBL引导至远离P电极的区域,缓解了电极周围的电流拥挤。对两种芯片进行相同结构和工艺条件的封装,并对封装样品进行热特性及10～600 mA的变电流光电特性测试,得到两种器件的发光光谱及光功率等光学特性。结果表明随着电流增加,两种器件的光谱曲线均发生蓝移,且有CBL结构的LED主波长偏移量较无CBL结构LED少10 nm,可见有CBL结构的LED光谱受驱动电流变化的影响更小,因此其显色性能更为稳定。而在小电流条件下, CBL对器件光功率的影响不大,随着工作电流的增大, CBL对器件光功率的改善效果逐渐提升。在大电流条件下,无CBL结构的LED结温更高,正向电压更低,随电流的增大二者之间的电压差增大。在25℃的环境温度, 350 mA工作电流下,加入CBL结构使器件电压升高约0.04 V,但器件光功率最高提升了9.96%,且热阻明显小于无CBL结构器件,说明有CBL结构LED产热更少。因此CBL结构大大提高了器件的光提取效率,并使其光谱漂移更小,显色性能更为稳定。     

板式脉动热管用于LED散热研究

随着LED输入功率的不断提高,大耗散功率带来的高发热量及要求高的出光效率给LED散热提出了更高的要求。脉动热管与常规的散热技术相比,具有高效、结构简单、传热性能好等优点。本文主要通过板式脉动热管对大功率LED散热实验,对热管壁面温度及LED发光强度随时间的变化特征进行了研究。实验结果分析表明:板式脉动热管对各功率LED都会产生非常显著的冷却效果。随着LED功率的增大,脉动热管的启动时间逐渐减短,热阻也呈下降趋势。在理论方面,通过建立LED板式脉动热管水冷理论模型,发现板式脉动热管的热阻是影响LED结温高低的重要因素。     

大功率LED热阻自动测量方法研究

在没有散热措施的情况下,大功率LED芯片的温度迅速升高,当结温超过最大允许温度时,大功率LED会因过热而损坏。大功率LED灯具设计中,最主要的设计工作就是散热设计。利用LED半导体器件的结电压与结温具有良好的线性关系的特性,通过测量大功率LED工作时的正向压降,工作电流,恒温箱温度和热衬温度,采用的电学参数法,实现了大功率LED热阻的自动测量。设计并制作了大功率LED热阻自动测量仪,快速、准确的测量了LED晶片到热衬的热阻。六种不同规格LED晶片到热衬的热阻测量值与计算值之间的误差小于10%。热阻测量值普遍高于理论计算值,说明LED制造工艺水平还有很大的提升空间。     

LED热学特性研究及应用实验仪

研制了功率型LED热学特性研究及应用实验仪,控温范围为室温~120°C,控温精度为0.5°C,分辨率为0.1°C,设有过载报警功能.通过脉冲电流法准确测量LED结温,并在此基础上研究温度对功率型LED发光效率的影响以及器件热阻等热学特性.     

LED芯片与YAG荧光粉的相互热作用

大功率白光LED作为新一代照明光源的优势越来越明显,但其光衰机制综合了YAG荧光粉、LED芯片以及封装散热多重因素,衰减机理复杂。为研究LED芯片与荧光胶的相互热影响,基于蓝光LED器件基板温度可控实现蓝光LED器件温度稳定,并通过外部加热(以此作为LED热量作用于荧光胶)的方式控制荧光胶、荧光粉、硅胶的温度。重点研究了温度从27℃升高到220℃对三者光衰、主波长特性的影响。对荧光胶与LED芯片的近距离相互热影响进行了测试,结果表明荧光粉涂覆量会引起光功率的降低,而且随着光功率的降低,LED芯片结温呈现指数升高。实验证明荧光胶层与LED芯片是一个相互影响的复合热源模型。     

去除铝基板的大功率LED热分析

提出一种大功率LED免铝基板封装方式,采用ANSYS有限元热分析软件对传统的铝基板封装和免铝基板封装的LED进行模拟对比分析。模拟结果表明:两种封装结构的LED,其最高温度均出现在LED芯片处;对于单颗功率1 W、3颗功率1 W和单颗功率3 W的器件,由于有效地简化了散热通道、大幅度降低了总热阻,采用免铝基板结构的最高温度分别降低了6.436,9.468,19.309 ℃。传统的铝基板封装即使选用热导率高达200 W/(m·K)的基板,其散热效果依旧略逊于免铝基板封装结构,且随着LED功率的增大,免铝基板的新型封装结构散热优势更加明显。本文的研究为解决大功率LED的散热问题和光色稳定性问题提供了一种新途径。     

AlGaInP大功率发光二极管发光效率与结温的关系

目前,AlGaInP大功率发光二极管(LED)存在的主要问题是大电流工作时发热严重,主要是由于电流扩展不均匀、出光面电极对光子的阻挡和吸收以及器件材料与空气折射率之间的差距引起的全反射现象,这些因素造成大功率LED出光受到限制、发光效率低、亮度不高.提出了一种复合电流扩展层和复合分布式布拉格反射层(DBR)的新型结构LED,使得注入电流在有源区充分地扩散,同时提高了常规单DBR对光子的反射率.结果显示,这种新型结构LED比常规结构LED的性能得到了很大的提升,350 mA注入电流下两者的输出光功率分别为4 关键词： 复合电流扩展层 复合分布式布拉格反射层 出光效率 结温     

LED感应局部加热封装试验研究

采用感应局部加热技术,对大功率发光二极管(LED)封装进行了试验研究。结果表明,由于感应加热对材料和结构具有选择性,封装过程中仅Cu-Sn合金焊料层加热,实现了芯片和覆铜陶瓷基板间的热键合。封装后的LED性能测试表明,该封装技术不仅降低了热阻,使LED在高电流下(4倍电流)仍能保持较低的工作温度,而且降低了热应力和整体高温对芯片结构的损坏,提高了器件性能和可靠性。     

温度和电流对白光LED发光效率的影响

对大功率白光LED发光效率进行了研究,得出温度和电流对LED发光效率的影响:随着温度的升高,势阱中辐射复合几率降低,从而降低了发光效率;电流的升高,使更多的非平衡载流子穿过势垒,降低了发光效率。LED工作时,过高的工作温度或者过大的工作电流都会产生明显的光衰:如果LED工作温度超过芯片的承载温度,这将会使LED的发光效率快速降低,产生明显的光衰,并且对LED造成永久性破坏;如果LED的工作电流超过芯片的饱和电流,也会使LED发光效率快速降低,产生明显的光衰。并且LED所能承载的温度与饱和电流有一定关系,散热良好的装置可以使LED工作温度相对降低些,饱和电流也可以更大,LED也就可以在相对较大的电流下工作。     

一种大功率LED散热系统模糊控制器设计

基于当前的COB封装LED芯片,分析了芯片的热阻模型,推导出发光结在理想温度下工作时的基板温度。针对大功率LED存在的散热问题,基于课题组双进双出射流冲击水冷散热系统,设计了一种模糊控制器,选取温度变化和温度变化率为控制输入量,并对各控制输入量的范围设定进行了说明。根据设计的控制器进行程序编写,下载到控制芯片中进行实际验证,在20℃环境温度下,芯片基板温度最终维持在35.5~36.5℃之间,保证了灯具正常、稳定工作,为大功率LED散热系统提供了一种控制器设计方案,具有一定的实际意义。     

基于自动跟踪LED驱动电压控制电路的创新设计

LED发光二极管在发光时约有80%以上的功率转化成了热能,导致LED发光二极管的PN结温度过高,这是影响LED发光二极管的发光效率与照明功能的主要因素。本文针对上述问题,结合现实情况,设计了一种自动跟踪LED驱动电压的控制电路,从串联稳流单元采样一个电压信号,与本控制电路中的基准电压相比较,产生一个控制信号,去控制所述串联稳流单元前级的开关稳压电源,使它的输出电压随LED灯的工作电压的变化而变化,不增加调整管的功耗。避免了常见的恒压驱动亮度变化大的缺陷,从而大幅度提高LED发光二极管的工作效率,该控制电路结构简单、成本低、损耗小与可靠性高。     

照明用大功率发光二极管封装材料的优化设计

根据传热理论,建立了大功率发光二极管的有限元模型.选择了4种键合材料（高导热导电银胶、纳米银焊膏,大功率芯片键合胶、Sn70Pb30）,4种基板材料（Al2O3、AlN、Al-SiC、铜钼合金）.采用ANSYS有限元热分析软件进行了温度场仿真,得到了大功率发光二极管封装材料的最优选择.研究了基板厚度、芯片输出功率及外接热沉时对发光二极管结温的影响.结果表明:纳米银焊膏-AlN组合具有最优的散热效果|增加散热基板厚度提高散热能力的作用不大|单个发光二极管输出功率有限,应优化封装结构并采用多芯片阵列来满足照明级的需要|外接铝热沉能达到理想的散热效果.     

Si衬底GaN基LED的结温特性

结温是发光二极管的重要参数之一,它对器件的内量子效率、输出功率、可靠性及LED的其他一些性能有很大的影响。首次报道Si衬底GaN基LED的结温特性。利用正向压降法测量Si衬底上GaN基LED的结温,通过与蓝宝石衬底上GaNLED的结温比较,发现Si衬底GaNLED有更低的结温,原因归结为Si有更好的导热性。同时也表明:用Si作GaNLED的衬底在大功率LED方面具有更大的应用潜力。     

采用小功率LED的汽车前照灯光学设计

为克服普通灯泡汽车前照灯耗能高、寿命短和现有LED(发光二级管,Light-Emitting Diodes)前照灯成本高的缺点,提出了一套采用小功率LED的汽车前照灯光学设计方案。采用48颗小功率LED,使得每颗LED照亮配光屏上的一块矩形区域。对单颗LED设计自由曲面透镜,光线经透镜出射形成一个矩形光斑。点亮不同的LED以及调整车灯的照射方向可以满足照明要求。模拟结果符合国家标准要求。采用小功率LED比普通灯泡寿命长,比大功率LED前照灯成本低,可靠性强,并且还能部分实现自适应前照灯的功能。     

Measurement of temperature profiles on visible light-emitting diodes by use of a nematic liquid crystal and an infrared laser

We present a new technique for measuring the temperature profiles of visible LED chips by use of a nematic liquid crystal with IR laser illumination. The LEDs studied have a multi-quantum-well InGaN/GaN/sapphire structure. New features in this technique are the use of a high-power IR laser beam as the sensing light and the insertion of a color filter in the optical path to block the high-intensity LED light. For the LEDs measured, the conversion efficiency decreases by 70% when the junction temperature rises from 25 to 107 degrees C. This technique is a valuable tool for studying the performance of LEDs as a function of junction temperature.     

GaN基白光LED的结温测量

用正向电压法、管脚法和蓝白比法等三种方法测量GaN基白光LED的结温,获得了较为准确的结温,误差可以控制在4℃以内.正向电压法在恒定电流的条件下,得到了正向电压与结温的线性关系;蓝白比法在不同环境温度和不同注入电流两种情况下,都得到了蓝白比与结温较好的线性关系.提出了蓝白比法可能的物理机制,提高环境温度和增大注入电流都会使结温升高,蓝光峰值波长也会改变,这两个因素都会影响荧光粉的激发和发光效率.降低结温需要考虑的主要因素有白光LED的接触电阻、串联电阻和外量子效率,封装材料的热导率,反射杯和管脚的设计,以及空气散热部分的散热面积等.