基于垂直与水平散热模式LED光电热特性研究

　　摘要：本文分析了中小功率LED新型散热模式——垂直散热的潜在优点。与传统散热模式——水平散热相比，新型垂直散热LED具有亮度高、散热快、光衰小、稳定性高等优点。本文对不同散热模式LED的结构、散热方式、光衰及色坐标漂移进行了分析和对比，并进行热特性模拟和实验测试分析。从散热、可靠稳定性及成本、体积等各个方面研究了基于垂直散热结构的LED光电热特性，指出垂直散热结构中小功率LED是目前应用照明光源的发展趋势。

　　关键词：LED；热管理；ANASYS；光电热特性；光衰

 

　　LED固体光源，与传统光源相比，具有效率高、光色纯、能耗低、寿命长，可靠耐用、应用灵活、无污染等优点，目前已广泛应用于道路照明、家用照明、汽车灯照明、景观照明等领域[1]。然而良好的散热特性是LED优异性能和稳定可靠的根本保证。温度对LED性能产生重要的影响，包括色温改变、波长红移、效率下降、正向压降等等，因此，热管理对LED的性能、光转换效率以及应用产生重要的影响[2]。

　　本文主要研究新型垂直散热模式LED在光电热特性方面的潜在优点。与传统水平散热模式LED相比，垂直散热结构LED具有亮度高、散热快、光衰小、成本低、稳定可靠的特点，是目前中小功率LED中应用照明光源的发展趋势。
 

　　一、垂直与水平散热模式结构对比

　　在本文两种不同散热模式LED特性分析中，新型垂直散热模式LED选用目前市场及应用热门的3014LED为例，传统水平散热模式则选用常用的3528LED为例，以做对比分析。

　　图1和图2分别为垂直散热与水平散热LED的结构示意图，图3所示为两种LED的散热方式示意图。

　　

　　图1. 垂直散热模式结构示意图

　　

　　图2. 水平散热模式结构示意图

　　

　　图3. 水平与垂直散热方式示意图

　　从图1、图2的结构图中可以看出，3528LED在结构是通过銲接两端电极的焊脚进行散热，散热方式为水平散热。3014LED在结构上是通过底板散热通道进行散热，散热方式主要为垂直散热。图3更清楚的表达了两种不同结构LED 的散热模式。

　　二、LED灯珠的热学特性模拟

　　为了更好的研究对比分析不同散热结构LED的散热情况，我们使用了ANASYS有限元分析模拟软件进行建模及热学模拟分析。

　　为了能更方便的计算LED的热阻，首先设置底板温度参数为60℃，芯片功率为0.06W，固晶胶KER-3200-TI厚度为0.01mm，驱动电流为20mA进行热分析，水平散热结构 LED及垂直散热结构LED的热分布分别如图4、图5所示。

　　

　　图4. 水平散热结构LED热模拟温度分布图

　　

　　图5. 垂直散热结构LED热模拟温度分布图

　　

　　表1. 散热模拟温度数据

　　由图4、图5及表1可以看出，当同时控制基底温度为60℃和LED工作电流为20mA时，虽然垂直散热模式LED的芯片温度要略高，这是因为所选用的3014LED模型的体积及散热面积均远小于3528 LED，热量过于集中所造成。但垂直散热模式的温差较小，其热阻117 mm²℃/W也远低于传统水平散热156 mm²℃/W，均表明垂直散热模式的散热效率优于水平散热模式。

　　为了更接近散热的客观事实情况，对LED热特性进行第二次模拟分析。此次模拟在模型中加入相同尺寸的铝板，不限定其温度，只设定驱动电流为20mA，与现实使用情况相符。水平散热LED及垂直散热LED的热分布分别如图6、图7所示。

　　

　　图6.水平散热结构LED热模拟温度分布图

　　

　　图7.垂直散热结构LED热模拟温度分布图

　　表2.LED散热模拟温度数据

　　

　　由图6、图7及表2可看出，垂直散热模式LED的芯片温度、负极温度、温差、热阻等各项参数均远小于水平散热灯珠，这表明垂直散热模式能把积聚在内部芯片的热量及时散去。此模拟结果表明了在不设定任何温度限制即更接近于客观事实的情况下垂直散热模式具有更高散热效率的优势。

　　因一般3014LED在使用过程中一般多用25mA或者30mA电流驱动，所以对25mA 驱动的3014LED进行了热模拟分析。模拟条件如下：功率设为0.072W，固晶胶厚度设为0.01mm，正向电流IF设为25mA，相同尺寸铝板，不限定温度。此种情况的热分布分别如图8所示。表3为此次热模拟分析的结果。与垂直散热LED在20mA驱动时散热情况相比，其芯片和负极的温度大幅度降低，表明垂直散热LED在大电流驱动时凸显出更优的散热效果。

　　

　　图8. 垂直散热结构LED热模拟温度分布图

　　

　　表3. 垂直散热结构LED热模拟结果（25mA）

　　对比表2、表3，即如表4所示，通过分析，3014LED即使在25mA驱动下，其芯片、负极温度、温差与20mA驱动的3528LED相当，而其热阻130 mm²℃/W远低于20mA驱动的3528LED。

　　结果表明：即使大电流驱动垂直模式LED，其散热效果依然优于小电流驱动的水平散热模式LED。此外，良好的散热优势使得垂直模式LED在大电流驱动下获得更高的光通量。在照明应用中小功率LED加大电流提高光通量从而可降低成本。垂直模式LED散热效率高、光通量高、成本低的优势是成为照明应用光源趋势的主要因素。

　　

　　表4. 3014LED（25mA）与3528LED（20mA）的热模拟对比

　　三、封装试验测试对比

　　（一）、两种不同散热结构LED的封装

　　为了保证可对比性，采用相同的物料（相同的芯片、固晶胶、金线、硅胶、萤光粉）分别对3528 LED及3014LED进行封装，制作色温、色坐标相近的LED灯珠，以便更好的进行亮度、光衰及色坐标等光学特性的比较分析。

　　（二）、初始参数测试对比

　　随机选取3014LED和3528LED各20个，其光通量和色温如图9、图10所示，横坐标表示LED个数，纵坐标表示光通量和相关色温CCT。

　　

　　图9. 光通量比较图

　　

　　图10. 色温比较图

　　初始参数测试结果表明，在20mA电流驱动下，3014LED的光通量比3528高，且其CCT集中度比3528LED好。另3014一般在30mA电流下驱动使用，其光通量达到10~11Lm；如上节热模拟显示，3528LED散热效果远不如3014LED，故其在大电流驱动下，光通量必定会严重受到过高热量的影响。因此相比水平散热LED，垂直散热LED具有不可比拟的优势。

　　（三）、光衰试验对比分析

　　随机抽取3528LED和3014LED各30pcs，按驱动电流20mA、25mA、30mA各分为三组进行1008H的光衰实验，以比较分析两种不同散热模式LED的光衰和色坐标漂移程度，从而研究散热对其光色特性的影响。

　　

　　图11. LED光衰图

　　从光衰图曲线可以明显看出，在1008H的老化过程中，水平散热LED在20mA驱动时，其亮度并未随时间衰减；但是在25mA 及30mA 驱动时，特别是30 mA，其亮度有明显的衰减。这表明过高的热量对亮度产生了很大的影响。相比水平散热LED，垂直散热LED的优势及稳定性显而易见。不管在大电流或小电流驱动，垂直散热LED经过1008H老化，亮度反而增高，并未有衰减趋势。

　　此外，水平散热LED的光衰随驱动电流加大而升高加快，这表明随着加大驱动电流，芯片产生更多的热量，水平散热LED未能把过多的热量散去，从而使亮度受到的更大的影响。相反，垂直散热LED的亮度随驱动电流的加大而升高更多，电流越大，亮度增加的越多，光衰越慢。这表明电流越大，虽然产热更多，但垂直散热LED的散热优势更加彰显，从而降低了芯片在加大电流带来更高热量的影响。光衰图明显的显示了两种不同散热模式的散热效果的优劣。

　　亮度衰减主要原因为芯片老化，而过高的热量又是芯片老化的首要原因。与水平散热LED相比，垂直散热LED能将芯片产生的热量迅速散去，有效地将芯片性能衰减降至最低，从而保证了亮度的可靠性。

　　

　　图12. CIE-x漂移图

　　

　　图13. CIE-y漂移图

　　图12和图13分别表示了两种散热模式LED的色坐标CIE-x、CIE-y平均值随时间的变化。整体来看，垂直散热LED的色坐标明显较水平散热LED稳定，漂移较小。在30mA驱动下，垂直散热模式LED色坐标CIE-x、CIE-y的平均值分别漂移-0.0027、-0.0033，而水平散热模式LED色坐标CIE-x、CIE-y的平均值分别漂移-0.0210、-0.0246，两者差距非常明显。色坐标漂移主要因素是萤光粉性能老化，而过高的热量又是导致萤光粉性能老化的首要原因。从而可以看出，垂直散热模式LED可以将芯片产生的热能迅速带出，有效使得萤光粉的性能衰减至最低，从而保证LED灯珠的光色性能稳定可靠。

　　结论

　　本文从结构、光电参数、热学特性、光衰及成本等方面对垂直散热和水平散热LED进行了研究分析对比，结果表明垂直散热模式LED的光电热特性均远远优于水平散热模式LED。垂直散热模式优异的散热特性，能将芯片产生的热量及时导出，从而将芯片和萤光粉的性能衰减至最低，使得LED亮度高、散热快、光衰小及光色漂移小，在保证灯珠的性能稳定的同时，也提高了照明灯具整体光色一致及性能可靠稳定性，从而成为中小功率LED照明应用光源的发展趋势。

　　参考文献

　　[1] dr EICHHORN K．LEDs in automotive lighting[J]. SPIE, 2006, 6134:1-6．

　　[2] Arik M, BecKer C, Weaver S, et al. Thermal management of LEDs: package to system[C]. Proc.of SPIE, 2004, 5187:64-75.

 

　　深圳市九洲光电科技有限公司，深圳光明新区九洲工业园，518000

　　深圳大学光电子学研究所，封装实验室，深圳南山，518000

　　作者：刘沛，郭伦春，夏鼎智，罗强