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發光二極管基板電路設計對光通量維持率的影響

  • 分類:企業新聞
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  • 來源:
  • 發布時間:2015-05-27 09:20
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【概要描述】1962年,美國人霍洛尼亞柯制成了世界上第一個發光二極管(LED)。隨著光效的不斷提升、成本的大幅下降和應用技術的成熟,LED得到越來越廣泛的應用,在顯示、指示、景觀、照明、通訊等方面大量使用。 LED突出的一大優勢在于長壽命。LED的理論壽命可達10萬小時,但實際使用壽命僅幾萬小時,甚至幾千小時。除LED自身品質外,影響LED實際壽命的主要因素是驅動電流、散熱能力和環境條件 [1],而散熱能力主要取決于熱阻、有效散熱面積。

發光二極管基板電路設計對光通量維持率的影響

【概要描述】1962年,美國人霍洛尼亞柯制成了世界上第一個發光二極管(LED)。隨著光效的不斷提升、成本的大幅下降和應用技術的成熟,LED得到越來越廣泛的應用,在顯示、指示、景觀、照明、通訊等方面大量使用。
LED突出的一大優勢在于長壽命。LED的理論壽命可達10萬小時,但實際使用壽命僅幾萬小時,甚至幾千小時。除LED自身品質外,影響LED實際壽命的主要因素是驅動電流、散熱能力和環境條件 [1],而散熱能力主要取決于熱阻、有效散熱面積。

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詳情

一、引言 
1962年,美國人霍洛尼亞柯制成了世界上第一個發光二極管(LED)。隨著光效的不斷提升、成本的大幅下降和應用技術的成熟,LED得到越來越廣泛的應用,在顯示、指示、景觀、照明、通訊等方面大量使用。
LED突出的一大優勢在于長壽命。LED的理論壽命可達10萬小時,但實際使用壽命僅幾萬小時,甚至幾千小時。除LED自身品質外,影響LED實際壽命的主要因素是驅動電流、散熱能力和環境條件 [1],而散熱能力主要取決于熱阻、有效散熱面積。
具體到LED照明燈具,其部件主要為LED光源、LED驅動、LED基板、散熱器、界面材料和結構件。其中LED基板是連接LED光源和LED驅動的電學中介,也是連接LED光源和散熱器的熱學中介。近年,出現了鏡面金屬基板上直接進行LED封裝的COB技術,它將LED光源和LED基板融合為COB光源,得到了長足發展、并逐步成熟,但獨立LED基板依然以大幅優勢廣泛存在于LED燈具中。研究LED基板對LED散熱影響的現實意義仍然存在。
LED基板包括覆銅層(電路層)、介電層和基材層(有鋁、環氧樹脂、酚醛樹脂等品種)?;咫娐吩O計主要就是針對覆銅層進行平面形狀設計,以滿足電氣需要。但是基板電路還是一個熱學中介,普通LED燈具熱傳導路徑如下圖[2]。
 

龍山
圖1 普通LED燈具熱傳導路徑

圖中LED基板為鋁基板,包括基板電路層(覆銅層)、介電層和鋁層。提高這三層的導熱能力,無疑會減小熱阻,提高LED壽命。盡管基板電路層具有高導熱性能,但它畢竟是熱傳導路徑的一分子,對LED散熱和光通量維持率一定有所影響,有研究的必要。
LED基板電路層分為導電銅箔和導熱銅箔;在滿足電氣要求狀況下,導熱銅箔的設計有比較大的自由空間,但無外乎要考慮其形狀和面積。由于銅箔得導熱性能遠遠優于各類導熱膠(膏或脂類)和鋁質熱沉,其形狀對散熱和光通量維持率的影響很小,重點考慮面積因素。
二、不同電路設計下LED光通量的測量 
為測量不同電路設計對光通量維持率的影響,我們設計了兩款鋁基板,如下圖。


龍山
圖2 兩款電路設計


左款鋁基板同右款鋁基板的材質和外尺寸、導電銅箔(圖中1、2)尺寸和位置完全相同,左款的導熱銅箔(圖中0)做到了最大化,右款的導熱銅箔(圖中0)做到了最小化(同普通1W大功率LED的導熱底部大小相同)。我們用三點熔錫的方式(上圖中1、2、0三點)將某公司同批次零散的白光1W  LED焊接于鋁基板上,再用相同的導熱硅脂將鋁基板分別固定于相同的散熱器上,最后用LED驅動點亮串聯的LED光源。我們通過測量了不同時間下的LED光通量,如下兩個表。


編號

0.0h光通量

0.5h光通量

18000h光通量

0.0h光通量

0.5h光通量

18000h光通量

(lm)

(%)

(lm)

(%)

(lm)

(%)

(lm)

(%)

(lm)

(%)

(lm)

(%)

A

84.4

100

80.1

94.91

63.6

75.36

88.4

100

83.4

94.34

64.2

72.62

B

64.4

100

60.4

93.79

52.4

81.37

86.8

100

82

94.47

62.2

71.66

C

86.6

100

81.8

94.46

71.1

82.10

82.7

100

78.5

94.92

63.6

76.90

D

91.8

100

87.6

95.42

73.4

79.96

87.6

100

82.9

94.63

60

68.49

E

87.4

100

82.6

94.51

69.8

79.86

91.7

100

86.5

94.33

62.1

67.72

F

86.9

100

82.8

95.28

69.3

79.75

90.1

100

85.2

94.56

65.6

72.81

G

82.6

100

78.5

95.04

69.1

83.66

85.4

100

80.9

94.73

60.2

70.49

H

89.2

100

84.9

95.18

71.8

80.49

70.6

100

66.7

94.48

50.7

71.81

小計

673.3

100

638.7

94.86

540.5

80.28

683.3

100

646.1

94.56

488.6

71.51

備注

采用左款鋁基板

采用右款鋁基板

用1只LED驅動點亮串聯的16顆LED;不同時間下的百分比為該時間連續點亮后的光通量除以初始光通量;鋁基板導熱性能較優。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

表1 燈組一在不同點亮時間下的光通量


編號

0.0h光通量

0.5h光通量

18000h光通量

0.0h光通量

0.5h光通量

18000h光通量

(lm)

(%)

(lm)

(%)

(lm)

(%)

(lm)

(%)

(lm)

(%)

(lm)

(%)

A

84.3

100

79.5

94.31

66.8

79.24

85.3

100

80.0

93.79

57.3

67.17

B

75.3

100

71.0

94.29

62.1

82.47

81.9

100

76.8

93.77

55.4

67.64

C

83.8

100

78.5

93.68

66.2

79.00

88.4

100

82.6

93.44

58.9

66.63

D

89.3

100

84.8

94.96

76.8

86.00

96.7

100

90.6

93.69

61.7

63.81

E

91.9

100

86.6

94.23

71.6

77.91

87.8

100

82.4

93.85

61.4

69.93

F

92.5

100

87.1

94.16

69.6

75.24

83.6

100

78.8

94.26

57.4

68.66

G

93.0

100

87.7

94.30

70.8

76.13

93.3

100

86.9

93.14

61.5

65.92

H

88.1

100

83.2

94.44

71.9

81.61

85.3

100

79.4

93.08

61.0

71.51

小計

529.9

100

499.7

94.30

422.9

79.81

702.3

100

657.5

93.62

474.6

67.58

備注

采用左款鋁基板

采用右款鋁基板

用1只LED驅動點亮串聯的16顆LED;不同時間下的百分比為該時間連續點亮后的光通量除以初始光通量;鋁基板導熱性能一般。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

表2 燈組二在不同點亮時間下的光通量
備注:為加速測試進程,散熱器的散熱面積較正常照明使用要??;燈組一和燈組二采用的驅動相同。
三、基板電路設計對光通量的影響 
為直觀體現基板電路設計對LED光通量的影響,截取表1、表2數據,并統計匯總結果見表3。

 

左款基板

右款基板

0h光通量

18000h光通量

維持率

0h光通量

18000h光通量

維持率

燈組一

673.3

540.5

80.28%

683.3

488.6

71.51%

燈組二

529.9

422.9

79.81

702.3

474.6

67.58%

燈組總計

1203.2

963.4

80.07%

1385.2

963.2

69.53%

表3 不同電路設計下光通量的變化
從表3可以明顯看出,左款基板的18000h光通量維持率較高,高出約10%。也就是大面積導熱銅箔的基板設計具有更強的散熱能力。
四、基板導熱性能對光通量的影響 
為直觀體現基板導熱性能對LED光通量維持率的影響,截取表3數據并作分析,結果見表4。

 

左款維持率

右款維持率

維持率差異

備注

燈組一

80.28%%

71.51%

8.77%

鋁基板導熱性能較優

燈組二

79.81%

67.58%

12.23%

鋁基板導熱性能一般

表4 不同導熱性能下光通量維持率的差異
從表4可以明顯看出,大面積導熱銅箔基板設計的優越性明顯,但應用在導熱性能低的基板上優越性更為突出。也就是導熱性能低的基板(如酚醛基板、環氧基板)上采用大面積導熱銅箔設計的必要性更為重大。
市場上還有很多沒有熱沉的LED品種,如直插LED、3528等,他們的熱量主要靠電極傳導,對應基板上的銅箔導熱也導電。此類基板的導熱銅箔和導電銅箔合二為一,在電路設計上依然要增大面積來明顯提高光通量維持率,而且效果顯著。
五、結語 
基板作為LED和散熱器之間的導電通道和導熱通道,其作用不容忽視?;咫娐吩O計影響LED光通量維持率,采用大面積導熱銅箔設計有利于明顯提高光通量維持率,尤其在應用低導熱性能的基板和無熱沉LED時。

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