LED制造技术与应用(十二)

1、LED制造技术与应用(十二) 与LED应用有关的技术问题介绍2012-5-9与LED应用有关的技术问题介绍 一. LED的驱动方式 二. LED的散热技术 三. LED的光学设计 四. LED的防静电控制2. LED的驱动方式LED的驱动方式一般使用恒定电流源恒定电流源和恒定电压源恒定电压源进行控制。图2.1 LED的恒流驱动(串联)图2.2 LED的恒流驱动(并联)2-1 LED的恒定电流源驱的恒定电流源驱动：动：分选，测试2-2 LED的恒定电压源驱动：的恒定电压源驱动：图2.1 LED的恒压驱动(串联)图2.2 LED的恒压驱动(并联)每种驱动方式均有优缺点，根据LED产品的要求、应用场

2、合，合理选用LED驱动方式，精确设计驱动电源成为关键。一般的整流电路的输出电压随着电网电压的波动也会变化，由此可知，采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性，并且影响LED的特性。因此，LED驱动通常采用恒流源驱动。 理想的LED驱动方式是采用恒压、恒流方式，但驱动器的成本会增加。 2-3-1 镇流电阻方案镇流电阻方案。2-32-3 典型典型LEDLED驱动电路驱动电路(实现恒流，恒压的电路实现恒流，恒压的电路) 2-3-2 镇流电容镇流电容(降压降压)电路电路2-3-3 2-3-3 线性恒流驱动电路线性恒流驱动电路2-3-4、开关恒流驱动电路、开关恒流驱动电路与LED应用有关的技术问题介绍

3、一. LED的驱动方式 二. LED的散热技术 三. LED的光学设计 四. LED的防静电控制3-2 热量传递的三种基本方式：热量传递的三种基本方式：4、LED散热技术介绍散热技术介绍LED的热流模型所以从芯片产生的热量到空气的总热阻就应该是所以从芯片产生的热量到空气的总热阻就应该是：Rja=Rj1 + (Rj2 + Rj3 + Rj4) + Rj5 + Rj6 + Rj7 Rj1：芯片基板的热阻：芯片基板的热阻 Rj2：焊料的热阻：焊料的热阻Rj6：铝基板：铝基板PCB的热阻的热阻 Rj4：导热硅胶的热阻：导热硅胶的热阻 Rj7：散热器热阻：散热器热阻 Rj5：热沉的热阻：热沉的热阻 Rj

4、3：焊料的热阻：焊料的热阻4-1 晶片层级散热技术-衬底的选择4-2 封装层级散热技术-热沉的选择4-3 PCB层级散热技术4-4 界面散热技术4-5 系统模组层级散热技术(散热片设计)热传导热对流热辐射4-5 系统模组层级散热技术(散热器设计)目前常用的散热技术有风冷、水冷、微管道散热、热管技术等。(a)(a)风冷散热器风冷散热器的原理很简单:芯片耗散的热量通过粘接材料传导到金属底座上，再传导到散热片上，通过自然对流或强制对流把热量散发到空气中。传导和对流是两种主要的传热方式。1、 采用导热性能好的材料作散热器：常用的散热器材主要是铝和铜。2、 增大散热器的散热面积：散热面积越大，其热容量越

5、大。为提高换热系数，可采用波纹状肋面制造紊流。3、 强迫风冷：选择合适的风扇或鼓风机，加快散热片周围空气的流动，可以改善气流组织，提高对流换热系数，从而改善散热效果。(b) (b) 水冷又称为液冷水冷又称为液冷。它的散热效率高，热传导率为传统风冷方式的20倍以上，且无风冷散热的高噪音，能较好地解决降温和降噪问题。水冷散热装置大致可分为微型水泵、循环管、吸热盒和散热片四个部分。 4 4-5-1-5-1常用的散热器技术常用的散热器技术 用导热性能好的材料 散热器的整个有效面积要考虑的因素 散热片之间的距离 散热片的长度 散热片的厚度 散热片的摆放位置 用放热系数较大的表面处理 为了保证模组和散热器

6、之间的热传导, 要用导热介质 。 4 4-5-2-5-2 散热器设计需要考虑的因素散热器设计需要考虑的因素需要考虑的因素(1) 用导热性能好的材料 LEDLED散热选材原则散热选材原则: :导热性能好相对其它固体材料，金属具有更好的热传导能力； 易于加工延展性好，高温相对稳定，可采用各种加工工艺； 易获取金属，但供货量大，不需特殊工序，价格也相对低廉；铝的导热系数较高，加工性能好，表面处理技术成熟且成本低廉，现阶段主要通过铝制散热器进行散热。铝制散热器表面处理技术成熟，可通过阳极氧化来提高表面辐射率，增加辐射热交换。如上图，在LED背面铝基板加散热U型板或者类似可以直接传导散热的导热材料，这种

7、方法适用于10瓦以下的散热设计，但这种方式的散热部件必须有足够小的热阻和足够大的散热面积。(2)散热器的整个有效面积要考虑的因素散热器采用鳍片的形状是为了加大散热面积。以利于辐射散热和对流散热。散热器的最重要指标就是它的散热面积A，但是散热器的不同部位的散热效果是不同的。在根部的散热效果就差，而在顶部的散热效果就好。所以散热器有一个有效散热面积。它通常是实际面积的70%左右。从经验得出，一般要散1W功率的热量大约需要50-60平方厘米的有效散热器面积。 上图是台湾产的一个样灯，是40瓦LED的散热设计，利用增加和空气的接触面积来给LED散热，保证了LED的光效和寿命。为了加大散热面积，通常会采

8、用增加高度的方法。但是，高度增加到一定程度以后其作用会越来越小。下图表明增加高度对于降低结温的影响的一个例子。由图中可以看出，高度增加到高度增加到40mm以后，结温的降低就很慢了以后，结温的降低就很慢了。 LED结温随散热器的高度增加而降低 (3)散热片的厚度加大长度也是加大面积的一个方法。但是并不是长度越长越好。由图可知长度增加到一定程度后，结温不但不再降低，反而会升高。这是因为空气在沿长度方向的流动受到阻碍所致(主要对于垂直放置的鳍片为如此)。 结温和长度的关系 (4)散热片的长度(6) 用放热系数较大的表面处理，提高发射率。 (铝一般用喷漆或者阳极氧化)辐射散热能力提升主要通过提高散热器

9、表面发射率来实现，常用方法是表面做涂漆，喷沙提高粗糙度，阳极氧化等措施。辐射对散热在自然散热条件下有一定影响，强迫空冷基本没有效果，并且一般散热器发射率的差异不大，在产品中一般不作重点考虑。(5)散热片的摆放位置对于散热器来说，除了加大面积以外，如何加速空气的对流是很重要的事。为了在各种风向情况下都能有很好的对流，最好采用针状鳍片散热器。但这也减小了其等效散热面积很大的百分比。 针状散热器 珠海南科首次把针状散热器应用至LED路灯中，据说这可以使LED的结温降低15度以上，提高了LED的寿命。 (7)增加对流(8)采用强制风冷散热 15WLED中LED结温和风速的关系 目前几乎绝大多数的LED

10、灯具都是采用自然空气对流来散热的。然而，对流的散热效果是和空气的流速是有密切关系的。最近台湾Sunon公司推出全球最小、最薄、耗电量最低的“毫米科技风扇与鼓风扇MightyMini Fan &Blower。并用于各种功率的LED灯具。 4 4-5-3 -5-3 散热器制程散热器制程(1)考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果齿间距太小，两个齿的热边界层易交叉,影响齿表面的对流，所以一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于 12mm,如果散热器齿高低于10mm，可按齿间距1.2 倍齿高来确定散热器的齿间距。 (2)自然冷却散热器表面的换热能力较弱，在散热齿表面增加波纹不会 对自然对流效果

11、产生太大的影响，所以建议散热齿表面不加波纹齿。 (3)采用挠动设计方法，破坏介质层流层，使散热效果提高。用旋转 太阳花、挠动空气旋转装置、烟囱的抽吸原理都是好方法。 (4)自然对流的散热器表面一般采用发黑处理，以增大散热表面的辐射系数，强化辐射换热。(5)由于自然对流达到热平衡的时间较长，所以自然对流散热器的基板及齿厚应足够，以抗击瞬时热负荷的冲击，建议大于 5mm 以上。 4 4-5-4-5-4 自然散热器设计方法自然散热器设计方法PassivePassivePassivePassiveActiveActive 4 4-5-5-5-5 新型散热器设计实例新型散热器设计实例SynJet合成射流

12、冷却法 一个好的散热设计应包括以下几点：(1)较好的LED光源（热阻低，光效好）(2)良好的热传导设计（一体化，均热性，无瓶颈）(3)优异的散热器结构设计（对流，辐射）(4)较好的散热器表面处理方式（增强辐射）(5)良好的系统结构（气流导向，位置方式）总结与LED应用有关的技术问题介绍 一. LED的驱动方式 二. LED的散热技术 三. LED的光学设计 四. LED的防静电控制何谓何谓 次次光学设计？光学设计？1、一次光学设计将LED芯片封装成LED光电器件，必须进行光学设计。一次光学设计的目的是从LED封装材料的形状入手，设法提高LED的出光效率；以解决LED的出光角度、光强、光通量大小

13、、光强分布、色溫范围等问题。2、二次光学设计 二次光学设计是针对LED照明器具进行的优化设计，这是系统层面的设计。通过二次光学设计技术，设计外加的反射杯与多重光学透镜及非球面出光表面，可以提高器件的取光效率。 其目的是对整个系统的出光效果、光强、色温分布进行设计,让整个照明系统发出的光能满足设计需求。 光学设计软件通常使用以下光学软件进来LED二次光学建模和设计，分析光度或照度/光强或亮度/颜色/色度,显指,色温和光谱能量分布等： ASAP, LightTools, TracePro, FRED, Zemax and Photopia etc有些设计软件具备自动优化功能，能够更好的进行LED二

14、次光学设计。Photopia S软件模拟与实际对比软件模拟与实际对比LEDLED光学光学设计结构图设计结构图透镜透镜LED光学光学设计基本元件设计基本元件非球面反射镜非球面反射镜椭球面椭球面抛物面抛物面双曲面双曲面折光板折光板曲形折光板曲形折光板梯形折光板梯形折光板柱形折光板柱形折光板柱球形折光板柱球形折光板一次光学设计一次光学设计芯片芯片模粒模粒支架支架折射式折射式反射式反射式折反射式折反射式背向反射式背向反射式正向反射式正向反射式二次二次光学设计光学设计 1、一次光学设计 只有一次光学一次光学设计合理，才能保证系统的二次光学设计顺利实现，从而提高照明和显示的效果。(1) LED芯片是发光的

15、主体，发光多少直接与芯片的质量有关，取决于外延方法和外延质量好坏，在芯片制造过程中采取不同的方法也可提高一些光强即提高外量子效率，但是程度有限。 (2)支架承载着芯片，起着固定芯片的作用。支架碗的形状大支架碗的形状大小与芯片的匹配小与芯片的匹配，对出光效率起着重要的作用。 (3)模粒灌满环氧树脂之后就成为透镜透镜，出光的角度和光斑的质量都与模粒形成的透镜有关。透镜形状可以分为：折射式、折射式、反射式、折反射式三种。反射式、折反射式三种。一次光学设计的三大因素：芯片，支架，模粒。一次光学设计的三大因素：芯片，支架，模粒。绝缘胶可以使得射向底部的光线通过反射杯反射出来，可以提高光效2030。1-1

16、1-1 绝缘胶的选择绝缘胶的选择全反射、高折射率材料、变折射率材料GaN/air全反射角25.8o，透光率8%Epoxy/air全反射角35.70，透光率22%1-21-2 模粒材料的选择模粒材料的选择C=arcsinN2/ N1模粒材料的种类（1） 硅胶透镜 a. 因为硅胶耐温高（也可以过回流焊），因此常用直接封装在LED芯片上。 b. 一般硅胶透镜体积较小，直径3-10mm。（2）PMMA透镜 a. 光学级PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯），俗称亚克力。 b .塑胶类材料， 优点：生产效率高；透光率高（3mm厚度时穿透率93%左右）； 缺点：温度不能超过80（热变形温度92度）。（3）PC透镜

17、a. 光学级料Polycarbonate（简称PC）聚碳酸酯。 b. 塑胶类材料， 优点：生产效率高；透光率稍低（3mm厚度时穿透率89%左右）； 缺点：温度不能超过110（热变形温度135度）。（4）玻璃透镜 光学玻璃材料， 优点：具有透光率高（97%）、耐温高等特点； 缺点：体积大质量重,形状单一、易碎、批量生产不易实现、生产效率低、成本高等。特点：1、当LED光线经过透镜时光线会发生折射而汇聚，经过光学设计的透镜光斑将会非常均匀，但由于透镜直径和透镜模式限制，LED的光利用率不高及光斑边缘有比较明显的黄边；2、聚光面包含的立体角有限，约70%-80%的白光从侧面泄露，发光效率低。3、提高

18、出光率方法：增加反光杯面积，收集侧面光线。4、聚光方法：增加透镜曲率。5、一般应用在大角度（50以上）的聚光，如台灯、吧灯等室内照明灯具。 1-31-3 模粒形状的选择模粒形状的选择 （1 1）折射式）折射式（2 2）折射式）折射式反射面为一镀有反射膜的抛物面， 管芯位于抛物面焦点。优点：集光效率高，可以达到80%以上。缺点：芯片对光线有遮挡。要求芯片纵横比小,横向尺寸:纵向尺寸4 正向反射式使用的是抛物面侧面区域。优点：工艺简单，纵横比适中。光束发散小，集光效80%以上，光线无遮挡。 （3 3）折反射式）折反射式透镜的设计在正前方用穿透式聚光，而锥形面又可以将侧光全部收集并反射出去，而这两种

19、光线的重叠（角度相同）就可得到最完善的光线利用与漂亮的光斑效果；这种透镜集光效率高，对环氧树脂透镜的要求也高。 1-41-4 一次光学设计实例一次光学设计实例- -提高芯片发光强度与出光效率的方式 1-4-1 改变芯片的几何形状 CREE公司有一款芯片采用倒梯形结构后也提高了光强。由于这种结构的芯片其边缘部分的全反射临界角增大，光子逸出率提高，并能从碗腔射出，提高光强和出光效率。衬底NMQWP芯片倒梯形结构1-4-2 在衬底上增加反光镜 通常LED的衬底用GaAs材料，但GaAs是一种吸光材料，LED发出的光会被它吸收，降低出光效率。为此，在外延成PN结后，用腐蚀的方法GaAs衬底去除，然后在

20、高温条件下将能透光的GaP粘贴上去做衬底，使PN结射出光通过金属底板反射出去，提高出光效率。 这种方法在制作InGaAlP四元芯片时，在去除GaAs衬底后先用粘贴方法制作一层金属镜面反光层，然后再粘贴基板，这样使射向衬底的光放射到出光面，使芯片出光效率提高。透明衬底技术 透镜形状或者环氧形状的光学分析：由于光从封装材料射出到空气中也是从光密介质到光疏介质，所以同样也存在全反射现象，为了提升出射光的比例，透镜的外形或者环氧封装的外形最好是拱形或半球形，这样，光线从封装材料射向空气时，几乎是垂直射到界面，入射角都会小于临界角，因而减少产生全反射的几率。透镜的光学分析：影响出光角度，一般说透镜角度大

21、出光角度大，透镜角度小出光角度小。硅胶和透镜的形状：影响到封装后的光强分布曲线以及出光量的多少。1-4-3 透镜(环氧树脂)封装的形状：NIsin1=N2sin2 C=arcsinN2/ N1 当1=C时光线全部被反射向晶体内部，如果在LED晶体与空气之间镀一层中等折射率的介质层可增大临界角C。比如GaP的N1=3.3如果还没有介质层则临界角C=17.7度。覆盖一层N2=1.66的介质层后C可能增大到了30.3度，光强可提高为2.5倍。 1-4-4 覆盖增透膜1-4-5 Flip-chip技术(倒装技术)蓝光LED通常采用Al2O3用衬底硬度高、热导率和电导率低，如果采用正装结构，一方向会带来

22、防静电的问题，另一方面，在大电流情况下散热也会成为最主要的问题。同时由于正面电极朝上，会遮掉一部分光，发光效率会降低。大功率蓝光LED通过芯片倒装技术可以比传统的封装技术得到更多的有效出光。 现在使用最方泛的方法是进行表面粗化工艺。粗化的原理是增加发光面积。该方法适用于黄，绿，普红，普黄等GaPa基材的外延片，另外红外LED也可采用该方法。这种方法一般可以提高这种方法一般可以提高30%30%。 MQWW金属反射层W衬底WW 由于GaN折射系数1=2.3，与空气折射系数1=1相差较大，其反射临界角仅为25，使大部分光不能逸出到空气中去，出光效率较低。通过通过改变改变GaNGaN与空气的介面的几何

23、形状，使全反射临界角与空气的介面的几何形状，使全反射临界角增大，提高出光效率，增大，提高出光效率，这就是通过芯片表面粗化的方法来实现。 1-4-6 表面粗化工艺 2、二次光学设计 基于LED的二次光学设计，对最终的照明产品性能起着至关重要的作用(聚光聚光/匀光匀光)。设计重点： (1)精准的角度控制； (2)高效率的透镜设计； (3)材料必须要能抗UV以及不易有变黄的特性； (4)降低眩光； (5)减少重影； (6)降低光线在灯具内的损失；2-1 LED2-1 LED照明光源的特点照明光源的特点 LED光源为近似朗伯(Lambertian)光源，即LED芯片的光分布是以垂直于LED发光面的轴线

24、方向为零度角的余弦分布。朗伯光源：朗伯光源：I = I0 cos。 即,朗伯光源在某一方向上的发光强度I等于该光源发光面垂直方向上的发光强度I0乘以方向角的余弦。 现有市场上大部分的高功率白光LED的光度分布是朗伯分布，光斑是圆形的，峰值光强一半位置处的光束角的全宽度约为120o 。 根据用途的不同，照明光源可以分为室外景观照明灯、室内照明灯、路灯等，不同的用途对照明光源的光强分布以及光学性能指标有着不同的要求。距离h的屏幕上的照度分布为: LED所发出的光线在屏幕上形成的照度随出射角声的增大而迅速衰减。所发出的光线在屏幕上形成的照度随出射角声的增大而迅速衰减。这样的光源，很难满足各种照明用途

25、的需求。因此，必须根据不同的应用场合和需求，针对LED光源设计不同的光学系统，对LED芯片发出的光进行整形，改变其光强分布情况。这样的光学设计问题属于非成像光学的范畴。非成像光学的范畴。2-2 2-2 非非成像成像光学系统的作用光学系统的作用图 成像光学系统与非成像光学系统的比较非成像光学系统非成像光学系统成像光学系统成像光学系统SourceSourceReceiverReceiver 非成像光学设计产生于20世纪30年代,其目的是改善光学产品的性能，直到70年代逐渐成为一个体系。非成像光学系统设计关心的是光源能量的利用和光分布控制。光源能量的利用和光分布控制。例一例一 “ “LEDLED阅读

26、灯阅读灯”的二次光学设计的二次光学设计 通常出于对人眼健康的考虑，要求阅读灯在一个给定距离的平面上、一个给定的范围内，其照度不低于某一个特定值，一般为一般为300 lx。图(a)所示，路灯之间会形成很明显的明暗相间的光斑分布，对司机造成视觉疲劳，引发事故。图(b)所示，光斑为长方形，正好可以覆盖马路，并且有很好的均匀性。朗伯型的光度分布，约朗伯型的光度分布，约50%的光斑散落在的光斑散落在马路的外面而损耗，且里外亮度不均匀马路的外面而损耗，且里外亮度不均匀马路经过二次光学配光的长方形光斑分布经过二次光学配光的长方形光斑分布(a)(b)图 (a)没有经过二次光学配光设计的LED路灯的光斑， (b

27、)经过二次光学配光设计的LED路灯的光斑例二例二 “ “路灯路灯”的二次光学设计的二次光学设计例三例三 其他其他二次光学设计比较二次光学设计比较 LED的二次光学设计技术，不同于其他的学科，是一门涵盖非成像光学和三维曲面建模的交叉学科。 在LED照明系统的非成像光学设计中，基本光学元件主要有透镜、透镜、 非球面反射镜非球面反射镜 和和 折光板。折光板。2-3 二次光学设计常用元件：二次光学设计常用元件： 用于大角度照明产品 效率高 配光以轴对称性为主 较难控制配光 小角度照明产品内应用广泛 可设计出不同配光方式 结构较为复杂 成本较高 效率相对较低2-3-1 透镜透镜 透镜的作用是使光源发出的

28、光线进行汇聚或发散，起到改变出光角度的大小从而改变照明面积和照度。光源到镜头的距离减小，发散角增大，反之则减小。2-3-2非球面反射镜非球面反射镜形状通常为旋转二次曲面，包括抛物面、椭球面和双曲面利用反射或全反射原理改变光束角。反射镜的集光能力较透镜强，光能利用率更高。抛物面：抛物面：将位于焦点F处的光源发出的光线变为平行光。椭球面：椭球面：把位于焦点F处的光源汇聚到另一焦点F处，从而起到汇聚光线的作用。双曲面双曲面：把焦点F处的光源成像在虚焦点F处，相当于光线由F发出，实际起到改变光源发散角的作用。Total Internal Reflection Lens2-3-3 折光板折光板 折光板的

29、作用是改变光线的方向或在特定的方向上改变光束的角度，通常包括齿形折光板、梯形折光板和柱形或球形折光板。齿形折光板：偏转镜柱形或球形折光板与LED应用有关的技术问题介绍 一. LED的驱动方式 二. LED的散热技术 三. LED的光学设计 四. LED的防静电控制静电(Electrostatic Static Electricity); 静电就是静止不动的电荷,它一般存在于物体的表面,正负电荷在局部范围内失去平衡的结果。静电放电(ElectroStatic Discharge, ESDESD); 处于不同静电电位的两个物体间的静电电荷的转移就是静电放电。1. 静电的概念静电的概念结果：带结果：带正正的静电荷的静电荷结果：带结果：带负负的静电荷的静电荷相接触的两个物体发生分离相接触的两个物体发生分离2. 静电的物理解释静电的物理解释以下项目会导致静电产生：以下