LED制造技术与应用(十二)

Photopia Software
软件模拟与实际对比
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LED光学设计基本元件
一次光学设计
二次光学设计
透镜 非球面反射镜 抛物面 椭球面 折光板 曲形折光板 梯形折光板 柱形折光板 柱球形折光板 双曲面
芯片
模粒
支架
折射式
反射式
折反射式
背向反射式 正向反射式
LED光学设计结构图
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。
（2）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。
需要考虑的因素
(1) 用导热性能好的材料
LED散热选材原则: ①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； ②易于加工——延展性好，高温相对稳定，可采用各种加工工艺； ③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。
(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、挠动空气旋转装臵、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。
Passive
Passive
Passive
Passive
Active
Active
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4-5-5 新型散热器设计实例
SynJet合成射流冷却法
总结
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）
图2.1 LED的恒流驱动(串联)
图2.2 LED的恒流驱动(并联)
分选，测试
√
2-2 LED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。
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。
(3)散热片的厚度
LED结温随散热器的高度增加而降低
为了加大散热面积，通常会采用增加高度的方法。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40mm以后，结温的降低就很慢了。
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 典型LED驱动电路(实现恒流，恒压的电路) 2-3-1 镇流电阻方案。 2-3-2 镇流电容(降压)电路
2-3-3 线性恒流驱动电路
2-3-4、开关恒流驱动电路
与LED应用有关的技术问题介绍
一. 二. 三. 四. LED的驱动方式 LED的散热技术 LED的光学设计 LED的防静电控制
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
热 传 导
4-4 界面散热技术
热热 4-5 系统模组层级散热技术(散热片设计) 对 辐 流射
4-5 系统模组层级散热技术(散热器设计)
4-5-1常用的散热器技术
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)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。
辐射散热能力提升主要通过提高散热器表面发射率来实现，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。
(7)增加对流
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。
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二次光学设计。
(b) 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。水冷散热装臵大致可分为微型水泵、循环管、吸热盒和散热片四个 部分。
4-5-2 散热器设计需要考虑的因素
• 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 • 散热片的摆放位臵 • 用放热系数较大的表面处理 • 为了保证模组和散热器之间的热传导, 要用导热介质 • 。。。。。
（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 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
1-1 绝缘胶的选择
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20－30％。
1-2 模粒材料的选择
全反射、高折射率材料、变折射率材料
θC=arcsinN2/ N1
GaN/air全反射角25.8o，透光率~8%
Epoxy/air全反射角35.70，透光率~22%
模粒材料的种类
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。
(8)采用强制风冷散热
目前几乎绝大多数的LED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。
15WLED中LED结温和风速的关系
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)散热片的长度
结温和长度的关系
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(主要对于垂直放臵的鳍片为如此)。
(5)散热片的摆放位臵
(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)
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. 二. 三. 四. LED的驱动方式 LED的散热技术 LED的光学设计 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和恒定电压源进行控制。 2-1 LED的恒定电流源驱动：
3-2 热量传递的三种基本方式：
4、LED散热技术介绍
Rj1：芯片基板的热阻 Rj5：热沉的热阻
Rj2：焊料的热阻 Rj3：焊料的热阻 Rj4：导热硅胶的热阻
Rj6：铝基板PCB的热阻
Rj7：散热器热阻
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： Rja=Rj1 + (Rj2 + Rj3 + Rj4) + Rj5 + Rj6 + Rj7
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。
1、一次光学设计
一次光学设计的三大因素：芯片，支架，模粒。
只有一次光学设计合理，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 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，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、 反射式、折反射式三种。
(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，位臵方式）
与LED应用有关的技术问题介绍
一. 二. 三. 四. LED的驱动方式 LED的散热技术 LED的光学设计 LED的防静电控制
何谓
1、一次光学设计
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、光强分布、色溫范围等问题。
4-5-3 散热器制程
4-5-4 自然散热器设计方法
(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 对自然对流效果产生太大的影响，所以建议散热齿表面不加波纹齿。
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。
1-3 模粒形状的选择 （1）折射式
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。