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[导读]由于LED光源具有发光效率高、耗电量少、使用寿命长、安全可靠性强,有利于环保等特性,近几年来在城市灯光环境中得到了应用。特别是在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下,LED在照明市场的前景更备受全球瞩目。自04

由于LED光源具有发光效率高、耗电量少、使用寿命长、安全可靠性强,有利于环保等特性,近几年来在城市灯光环境中得到了应用。特别是在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下,LED在照明市场的前景更备受全球瞩目。自04年起光宇公司投入大量技术力量参与LED技术研究,多年来形成一套具有独立知识产权的大功率LED照明技术---多芯片封装大功率LED照明技术。本文针对这一技术的特点,及采用这一技术获得一些成果进行描述。

一、技术背景

就目前情况来看,市场上LED单管功率通常在1-5W左右,光输出仅几百流明。要使LED真正大规模应用于道路照明等公众场所,LED光源的光通量必须达到几千甚至上万流明,如此高的光输出量是无法通过单颗芯片来实现的。为满足如此高的光输出要求,目前国内外大多采用多颗LED(通常为1W)的光源组合在一个灯具中来满足高亮度照明的要求,这种方式在一定程度上解决了单颗光源亮度不足的问题。但是,这种工艺存在以下问题:

1、灯具制作过程繁琐,生产效率低、可靠性不高;

2、灯具的设计受单管LED排列数量和排布方式的限制,生产的灯具在外形美观和保证性能方面难以兼顾

3、灯具的二次配光设计复杂,难以满足各类不同照明设计的要求,而且会造成灯具光效降低;

4、数百颗单管LED的连接同一灯具中,必须要求各单管的光电性能参数一致,否则会大大降低的灯具的光电性能和使用性能。

5、在使用过程中容易出现因局部故障导致的盲点,产生暗斑,增加维护成本。

为解决上述技术难题,我公司提出了“多芯片封装大功率LED照明应用技术”这一课题。

二、主要开展的研究试验及成果

整个项目实施过程中,主要从热学、光学、结构、材料及工艺等几个方面展开研究和试验工作,项目共设计开发出1-100W大功率LED光源及LED路灯、隧道灯、巷道灯、泛光灯、工矿灯、室内照明灯六个系列的应用产品,申报了12项国家专利其中发明专利3项。

1、散热问题的解决是该项研究课题解决的最为核心、最为关键和最基础的工作。半导体器件PN结在常温状态工作时,理论寿命可以达到100,000小时以上。但是,由于目前LED芯片发展所处的技术阶段,只能使输入的30%左右的电能转化光能,70%的电能仍然是以热的方式存在于芯片上。而热对半导体器件的损害是非常严重的,PN结结温每升高10度,半导体器件的寿命就减少1倍。因此,如何将PN结产生的热量及时传导出去,使得PN结结温保持在一个较低的水平是保证光源稳定可靠工作的前提。

在解决散热问题过程中,我们采用的指导思想是整体式的、系统性的散热解决方法:首先建立从芯片到外界环境的散热模型;分析模型中影响传热的薄弱环节,针对这些环节提出需要达到的技术指标和解决方案,优化模型,完成整个方案设计。模型设计完成后,通过试验验证模型的正确性,之后针对已发现的薄弱环节进行针对性的技术攻关。具体的攻关项目包括:高性能导热材料的研制、光源支架的设计、新工艺的探索和完善。经过大量的试验和探索,成功地解决了制约大功率半导体照明发展的散热问题,取得以下成果:

(1)设计开发了多款光源支架,有两款光源支架申报了国家专利,并获授权,授权专利号为ZL200630125051。3,ZL200630125053。2。成功封装出LED光源功率可达100W,50WLED光源的光效可达100lm/W。

(2)上述光源导热出光性能完善的基础上,采用整体式的、系统性的散热设计理念,进行灯具散热结构设计。研究出了导热绝缘的界面填充材料,减小LED支架与灯具散热体之间的热阻;很好的解决了灯具的散热问题,并建立LED和灯具老化测试系统,考虑可能影响灯具可靠性的相关因素进行研究和试验,寻找出了影响灯具可靠性和寿命的机理。经过22,633hrs寿命测试显示,50W大功率LED路灯光衰4。53%图1为50WLED路灯光衰曲线图。

图150WLED路灯光衰曲线图

(3)完成光源设计、灯具散热设计后,根据光源的特点及所需场所对灯具配光的要求,采用目前世界流行的配光设计思路,利用先进光学设计模拟软件,设计出所需配光器的结构,同时模拟出光状况,进而反复修正配光结构,获得所需的光学结构。开发出适合该封装方式光源的配光器,在完全满足道路、隧道、远距离等复杂照明场所对光源配光曲线的要求的基础上,更加合理、充分的利用了光源发出的光线,使得灯具的整灯出光效率大大提升。整体灯具的出光效率可达71。96lm/W,图2为大功率LED路灯配光曲线。

图2大功率LED路灯配光曲线

(4)完全掌握了LED应用产品的产业化的关键技术和工艺,形成了系列化、多样化的半导体照明应用产品,开发出满足各种室内照明、道路照明、隧道照明、泛光照明、高杆照明、厂矿照明等场所的半导体照明灯具,已应用于多个照明领域,表1为临汾市铸钢路现场照度测试报告。

从表中可以看到:主杆道的平均照度达29。01lx,均匀度0。58,人行道平均照度15。4lx,均匀度0。82,远远高于CJJ45-2006《城市道路照明设计标准》的要求。

三、结语

芯片封装大功率LED照明应用技术,成功开发出功率为1W~100W的光源,单颗光源光输出量超过8000lm,光效大于100lm/W经22,633小时实际测试,光源光通维持率仍然保持在95%以上,光源稳定性高;的光源;并开发出了适合于面光源,且满足道路照明的配光器并成功实现成果转化,目前LED路灯、投光灯、隧道灯、工业企业照明灯、室内照明灯已批量生产,产品性能行业领先,这对LED应用于普通照明领域起到了至关重要的作用。

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