大功率LED照明技术探讨

    高亮度发光二极管(LED)以其耗电量小、寿命长、响应速度快、无频闪、体积小、无污染、易集成化等特点，正在成为传统照明产业升级换代的新一代光源。在节能减排、保护环境日益受到关注的今天，半导体照明更是成为新的经济增长点，因而受到世界各国政府、科技界与产业界的高度重视。迄今，美、日、欧、中国大陆及中国台湾等均已推出各自的半导体照明计划，大功率LED照明产业已成为最受瞩目的产业之一。

　　值得注意的是，迄今上游外延芯片技术已基本成熟和定型，价廉物美的LED芯片已能够满足照明的需求，现在定价权正向中游封装和下游应用终端市场转移和发展。这意味着谁能将芯片应用好、制造出长寿命、高功效的大功率LED照明产品，谁就有可能成为LED产业的最终赢家。大功率LED照明封装和应用方面的问题随之凸显出来，其中最为关键的就是如何解决大功率LED照明的散热难题，这不仅是结构设计和工程应用等方面的技术问题，而且还涉及热管理模式和流体力学等科学问题。与现有“芯片一铝基板一散热三层结构”大功率LED系列照明技术完全不同，我们研制的“芯片一散热一体化(二层结构)集成式大功率LED照明系列灯具”，在技术路线方面可能具有革命性和颠覆性的意义，将成为大功率LED照明产业一个新的发展方向。

　　1 、大功率LED照明产品现状

　　目前，LED的发光效率能使约30％ 的电能转换成光，其余70％ 的电能几乎都转换成热能，使LED的温度升高。小功率LED由于其发热量非常小，基本上不用采取散热措施就能被很好地应用，例如仪表灯、信号灯、小尺寸液晶屏幕背光源等。但对于大功率LED，当应用于商业建筑、道路、隧道、工矿等照明领域时，其散热就是个大问题了。如果LED芯片的热量不能散出去，会加速芯片的老化、光衰、色偏移、缩短LED的寿命。因此，大功率LED照明系统的结构模式和热管理设计十分重要。

　　现在市场上所有大功率LED照明灯具均采用“芯片一铝基板一散热器三层结构模式”，即先将芯片封装在铝基板上形成LED光源模块，然后将光源模块安置在散热器上制造成大功率LED照明灯具。
应该指出的是，目前大功率LED的热管理系统仍沿用LED早期用于指示灯和显示灯的方式，属于小功率LED的热管理模式。采用“芯片一铝基板一散热器三层结构模式”制备大功率LED照明，在系统结构方面存在明显不合理的地方，如结构之间接触热阻多、结温高、散热效率低，所以芯片释放出来的热不能有效地导出和散出，导致LED照明灯具光效低、光衰大、寿命短，不能满足照明需求。
如何提高封装散热能力是现阶段大功率LED亟待解决的关键技术之一。LED照明产品的发展方向和重点是：高功率、低热阻、高出光、低光衰、体积小、重量轻，因而使得对LED的散热效率要求越来越高。

　　但是由于受结构、成本和功耗等诸多因素的限制，大功率LED照明难以采用主动散热机制，而只能采用被动式散热机制，但被动式散热具有较大的局限性；而且LED的能量转换效率较低，目前仍然约有70％转换为热，即使光效再提高1倍也还有40％ 的能量转化为热。也就是说，很难提高到不用考虑散热的程度，所以从长远看，大功率LED照明的散热问题将是一个长期存在的问题。

　　现在大功率LED应用于照明的时机已经成熟，研制高效的自然散热的热管理系统，已成为大功率LED照明实现产业化的先决条件和关键因素。因此，需要新的技术路线及系统结构来彻底解决大功率LED照明散热问题。

    2 、大功率LED照明产业新的技术路线

　　针对现有大功率LED照明散热技术存在多热阻、散热能力低的问题，我们试图通过“芯片一散热一体化(二层结构)模式”解决大功率LED照明光效低、光衰严重、成本高等系列问题。

　　2.1 技术路线

　　“芯片一散热一体化(二层结构)模式”，不仅去除了铝基板结构，而且还将多个芯片集中直接安置在散热体上，组成多芯片模组单光源，制备成集成式大功率LED灯具，光源为单颗，呈面光源或集束式光源。

　　2.2 技术关键

　　如何增强对芯片的导热能力，减少热阻界面层，涉及到热管理系统结构模式、流体力学以及超热导材料工程应用等问题；如何有效控制散热基体的热储量，规划对流散热路径，建立高效自然对流散热体系，主要从灯具结构设计着手。

　　2.3 技术方案

　　通过改变LED光源封装结构、散热结构和灯具结构模式，来减少热阻层；应用超热导材料，增加芯片热源的导热性能；基于“芯片一散热一体化二层结构”优化热管理系统，增加空气的流动，形成自然对流散热。

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