航空障碍灯LED固态光源的散热改善方式

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• 发布时间：2014-04-01
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 LED固态光源的运作温度如何有效散逸，会影响整个光源应用的照明效能、装W寿命、能源利用效能等重要关键，而改善散热的方式可自品片层级的技术、电路板层级的技术、封装LED品粒的技术去改善。由于传统的晶片制法，在晶片层级的散热处理方面，多以蓝宝石作为基板进行设计，而蓝宝石基板的热传导系数接近20W/mK.其实很难将LED'"'磊晶产生的热快速散出，在针对LED晶片级的散热强化处理，尤其是针对高亮度、高功率的航空障碍灯LED元件方面.目前主流的作法，是有效利用KI品将磊晶的热传导出来，即使用授晶(Flip-Chip)的形式。另外的方式，因航空障碍灯LED元件上下两端都设有金属电极，可采行“垂直”电极的方式去制作LEI)元件，此可在散热的问题上得到更大的助益。例如，GaN墓板为导电材质，采用GaN基板作为材料，基板下方可直接做电极进行连接，即可得到快速散逸磊品温度的效益，但这种作法会比传统蓝宝石基板作法的成本贵上许多，因为材料成本较高，元件的制作成本亦会增加。对封装层级的散热强化作法，LED制作过程，整个LED可利用光学等级的环氧树脂来包住，增大航空障碍灯LED元件机械强度，保护元件内的相关线路，但环氧树脂的作法虽可提升元件强度，却同时限制了元件的温度操作范围，因为高温下使用光学级的环氧树脂，会因强光或高温，让环氧树脂的材质本身和光学特性劣化。芯片层面减少管芯热阻是LED器件的热量处理方法外，对封装而言，降低封装后器件的热阻应设计合理热沉、采用高热导率的封装材料、采用多芯片封装、优化驱动电源等，使器件性能提高。非成像光学是针对LED封装的光学研究。半导体照明光源应用的重要研究内容就是利用非成像光学设计，满足特定要求的LED光学系统。目前封装改善方式，传统的炮弹式封装技术仅在多数中低功率的航空障碍灯LED元件中才使用，对于高功率、高亮度的航空障碍灯LED元件，多改用LumiledsLuxeon系列封装法，将散热路径集中于下方的金属，内部的封装改用光学特性和耐高温、耐强光表现较优异的矽树脂去进行封装，此封装法可获得较佳的机械强度表现，同时其内部对高温、高强度蓝光LED、紫外线照射有更强大的耐受能力。以下是封装光学设计实例在投射照明系统中的应用。投射照明系统的光源要有准直、高效的远场分布。若通过LED光源与附加准直透镜相结合实现准直光场分布，即采用二次光学元件，不但系统体积增加，且LED和二次元件间会存有空气隙，出现额外的反射损耗。LED芯片封装时的树脂透镜需重新设计，确保LED在封装的同时实现准直：准直透镜的二维、三维模型首先采用编程方式计算，其光场分布利用蒙特卡罗方法计算，设计模型利用计算结果修正，相应的准直透镜待符合要求后制作。比较采用传统二次元件系统的光场分布及利用直接准直LED光源的光场分布，该准直透镜的亮度半高全角的理论值为9．8。，实测值为12．8。，其出光效率为90％。准直LED光源阵列的应用效果已实现。强调说明，此封装结构能简单组合构成大面积阵列，具有很强的可扩展性，满足不同的应用需求。LED的封装问题，除光学封装设计、热学处理外，值得探讨与研究的相关技术还有高热导率低损耗封装树脂材料、稳定有效驱动电源模块、新型高转换效率荧光粉材料等。因传统光源和LED光源形貌上差别很大，如何在外观上为市场接受，也成为封装需解决的技术问题。电路板层级的散热改善，热传导性能中上表现的一般会采取n金属基FR4(PCB))制作，如IntegratedMetalSubstrate(IMS)、MCPCB处理，进阶高效能热传导能力的会采取陶瓷基板(Ceramic)去制作。FR4(PCB)优势为低成本，可导热效能相对较差，多用于低功率的LED装载方面。金属基PCB(IMS、MCPCB)因操作温度高，例如MCPCB结构由铜箔层、铝基板、绝缘(介电1层构成，一般铜箔层(电路)为1．0～4．0盎司、铝基板(金属核心)层厚度在1mm3．2mm、绝缘(介电)层为7．5um～150um左右厚度，可用在摄氏140度环境下，为中高价位的制作成本。陶瓷基板(Ceramic)的成本和单价更高，因为陶瓷可让乘载的晶片更为匹配，其热膨胀系数表现佳，但无法用在大面积的电路，对于LED光源应用面，多数仅用于承载航空障碍灯LED元件的区块电路使用，来提升热传导效率。除前述常见乘载的电路板外，其实还有相对多款具较佳热传导技术的基板技术，例如陶瓷基板(氧化铝)、软式印刷电路板、铝镁合金、金属基复合材料基板、直接钢接合基板(DBC)等技术，但部分技术仍有制程、成本或装载方面的考量，必须视最终成品的实际热流模型限制与改善幅度是否值得更换载板而定。

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