大功率LED照明燈具的光學(xué)及散熱技術(shù)的研究

浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 李慶海

目前大功率LED正處于大力推廣應(yīng)用階段，在《“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案》中，半導(dǎo)體照明已被列入即將重點(diǎn)推進(jìn)的節(jié)能減排技術(shù)產(chǎn)業(yè)化示范項(xiàng)目范疇。LED的優(yōu)越性能使其應(yīng)用范圍非常廣泛，特別是大功率LED照明器的出現(xiàn)，使得LED的應(yīng)用市場(chǎng)更具規(guī)模。LED主要應(yīng)用在背光源、顯示屏、汽車照明、景觀裝飾、信號(hào)指示燈、通用照明市場(chǎng)等相關(guān)領(lǐng)域。其中通用照明市場(chǎng)，隨著大功率LED的出現(xiàn)，大功率LED開始廣泛用于特殊用途的專用照明系統(tǒng)。在照明市場(chǎng)，目前大功率LED仍面臨著發(fā)光效率低、散熱不好、成本過(guò)高等問(wèn)題。目前應(yīng)用主要在路燈、隧道燈、酒店、高檔寫字樓等對(duì)價(jià)格不是很敏感的場(chǎng)合。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看如果大功率LED的生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，成本進(jìn)一步降低，其節(jié)能和長(zhǎng)壽命的優(yōu)勢(shì)足以彌補(bǔ)價(jià)格偏高的劣勢(shì)，到時(shí)LED將成為一種最有競(jìng)爭(zhēng)力的新型光源，且市場(chǎng)潛力將是巨大的。

一、獨(dú)特的大功率LED燈具的結(jié)構(gòu)與工藝改進(jìn)

1.大功率LED燈具采用SMT自動(dòng)貼片回流焊接的方式生產(chǎn)，使用FPC組裝線路板用LED貼片機(jī)進(jìn)行組裝，透鏡封裝材料采用耐高溫的復(fù)合硅膠材料。在LED燈具組裝過(guò)程中采用自動(dòng)化改進(jìn)裝配工藝，自動(dòng)化裝配機(jī)械對(duì)大功率LED燈珠進(jìn)行腳位加工，對(duì)燈杯進(jìn)行檢測(cè)次品報(bào)警等相關(guān)功能。自動(dòng)化裝配機(jī)械架較寬的LED燈具進(jìn)行特殊加工處理。固晶采用自動(dòng)固晶機(jī)械對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行注銀膠在自動(dòng)擴(kuò)晶處理，經(jīng)過(guò)自動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行取晶、注銀膠、燈杯的操作。

2.自動(dòng)焊線機(jī)對(duì)大功率LED晶片的引出線焊線，焊線采用導(dǎo)電性能好99.99%金絲作為連接線連接引腳。焊線完成后進(jìn)行拉力測(cè)試與推力測(cè)試，對(duì)測(cè)試的次品在對(duì)晶片補(bǔ)線、補(bǔ)晶、塌線、倒線等情況進(jìn)行手動(dòng)焊接。封裝透鏡采用LED的造型模具以及具有高導(dǎo)熱材料進(jìn)行封裝。對(duì)仿流明杯與透鏡固定在進(jìn)入LED蓋透鏡機(jī)進(jìn)行壓蓋與壓邊的操作，壓邊采用180度高溫扣壓3秒處理封裝透鏡。

二、大功率LED燈具的一次配光與二次配光研發(fā)

研發(fā)大功率LED模組發(fā)光機(jī)理及點(diǎn)面光源轉(zhuǎn)換方式的特點(diǎn)，本項(xiàng)目研發(fā)一次配光是在大功率LED芯片上封裝硅膠透鏡，模組透鏡的底面上設(shè)有杯罩，模組透鏡呈倒梯形安裝于基板上，且其梯形角度按照設(shè)定角度固定封裝。通過(guò)透鏡作用使點(diǎn)光源變?yōu)槊婀庠矗龃髥蝹€(gè)LED面光源出射光的角度，同時(shí)也增大LED 面光源的照射面，也提高了LED面光源的出光均勻度。二次配光是平面排列的 LED光源采用橫縱方向非對(duì)稱形狀配光的透鏡設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)整二次配光弧面的曲率與LED面光源的間距的組合設(shè)計(jì)。LED光源配光結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

通過(guò)研究大功率LED模組發(fā)光機(jī)理及點(diǎn)面光源轉(zhuǎn)換方式的特點(diǎn)，將一次配光裝置的一次配光與二次配光裝置的二次配光相配合，其中一次配光裝置是在大功率LED芯片（第一組LED芯片）上封裝硅膠透鏡（第一透鏡），每對(duì)第一LED芯片和第一透鏡構(gòu)成一個(gè)模組，每個(gè)模組在透鏡底部處設(shè)置有杯罩，使模組呈倒梯形安裝于基板上，且其梯形角度θ按照設(shè)定角度固定封裝，該角度θ的設(shè)置結(jié)合透鏡作用，可使點(diǎn)光源變?yōu)槊婀庠?，增大單個(gè)LED面光源出射光的角度，同時(shí)也增大LED 面光源的照射面，也提高了LED面光源的出光均勻度；二次配光裝置的第二組LED芯片和第二透鏡則采用平面排列的方式，將第二組LED芯片和第二透鏡構(gòu)成 LED光源，LED光源在基板的橫縱方向上呈非對(duì)稱形狀安裝，通過(guò)調(diào)整二次配光弧面的曲率與LED面光源的間距的組合設(shè)計(jì)，再次調(diào)整出光的均勻性。

圖1 LED光源配光結(jié)構(gòu)示意圖

通過(guò)研究大功率LED模組發(fā)光機(jī)理及點(diǎn)面光源轉(zhuǎn)換方式的特點(diǎn)，將一次配光裝置2的一次配光與二次配光裝置3的二次配光相配合，其中一次配光裝置2是在大功率第一組LED芯片6上封裝第一透鏡7（硅膠透鏡），每對(duì)第一LED芯片6和第一透鏡7構(gòu)成一個(gè)模組，每個(gè)模組在第一透鏡7底部處設(shè)置有杯罩10，使模組呈倒梯形安裝于基板1上，且其梯形角度θ按照設(shè)定角度固定封裝，該角度θ的設(shè)置結(jié)合第一透鏡作用，可使點(diǎn)光源變?yōu)槊婀庠?，增大單個(gè)LED面光源出射光的角度，同時(shí)也增大LED面光源的照射面，也提高了LED面光源的出光均勻度；二次配光裝置3的第二組LED芯片8和第二透鏡9則采用平面排列的方式，將第二組LED芯片8和第二透鏡9構(gòu)成 LED光源，LED光源在基板1的橫縱方向上呈非對(duì)稱形狀安裝，通過(guò)調(diào)整二次配光弧面5的曲率與LED面光源的間距的組合設(shè)計(jì)，再次調(diào)整出光的均勻性。通過(guò)一次配光裝置2與二次配光裝置3的配合使用，通過(guò)各反射界面和折射界面的形狀，重新分配光源發(fā)出的光線，既有利于出光度、光通量、光強(qiáng)大小、出光角度的調(diào)整，進(jìn)而確保出光均勻性，又有助于提高LED光源的光能利用效率。大功率LED燈具的配光設(shè)計(jì)特點(diǎn)是通過(guò)對(duì)LED光源的一次配光裝置與二次配光裝置的配合使用，通過(guò)各反射界面和折射界面的形狀，重新分配光源發(fā)出的光線，既有利于出光度、光通量、光強(qiáng)大小、出光角度的調(diào)整，進(jìn)而確保出光均勻性，又有助于提高LED光源的光能利用效率。

三、研發(fā)大功率LED燈具的散熱冷卻裝置的研發(fā)

對(duì)于大功率LED芯片在生產(chǎn)工藝階段就要對(duì)LED芯片內(nèi)部和封裝的熱設(shè)計(jì)，為確保大功率LED發(fā)光器件正?？煽康墓ぷ?，需要配置合適的外部散熱器，通過(guò)散熱器確保LED結(jié)溫在安全結(jié)溫之內(nèi)且能長(zhǎng)期正常地可靠工作。本項(xiàng)目采用液態(tài)金屬冷卻系統(tǒng)的研發(fā)應(yīng)滿足LED芯片最高允許的工作溫度和功耗；滿足LED芯片使用對(duì)冷卻系統(tǒng)的限制要求；散熱設(shè)計(jì)應(yīng)符合與其有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范規(guī)定的要求。大功率LED燈具的主要熱性能參數(shù)為結(jié)溫和熱阻，LED封裝材料的熱阻較大，散熱能力有限，還要通過(guò)芯片內(nèi)部熱沉向外傳遞熱量，散熱冷卻系統(tǒng)在封裝結(jié)構(gòu)上采用大面積芯片倒裝結(jié)構(gòu)、金屬線路板結(jié)構(gòu)、導(dǎo)熱槽結(jié)構(gòu)、微流陣列結(jié)構(gòu)等；材料選取合適基板材料和粘貼材料，用硅樹脂代替環(huán)氧樹脂，采用新型導(dǎo)熱涂層散熱材料來(lái)解決導(dǎo)熱問(wèn)題。大功率LED燈具散熱冷卻裝置在LED燈具的封裝后面加裝溫度傳感器進(jìn)行檢測(cè)LED表面溫度；大功率LED燈具的散熱裝置由有散熱片、風(fēng)扇、電磁泵、連接管、主散熱器、散熱器、熱管、均溫板、輻射涂覆層、導(dǎo)熱膏、導(dǎo)熱墊片組成：本項(xiàng)目采用液態(tài)金屬冷卻系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 液態(tài)金屬冷卻系統(tǒng)圖

散熱裝置主要由強(qiáng)制冷卻裝置、散熱器和回路管的回流循環(huán)來(lái)進(jìn)行散熱，而這幾種散熱方式的更換是控制器根據(jù)LED燈具的溫度來(lái)控制的。大功率LED燈具的散熱裝置結(jié)構(gòu)包括控制器、傳感器7、第一組散熱器2和強(qiáng)制冷卻裝置6，傳感器7安裝于LED燈具的燈罩1處，控制器一端通過(guò)傳感器7連接到LED燈具的燈罩1表面，另一端則分別與散熱器2和強(qiáng)制冷卻裝置6連接，控制器用于控制散熱器與強(qiáng)制冷卻裝置6的通斷。散熱器安裝于LED燈具的燈罩1頂部，散熱器由若干根陣列排布的第一級(jí)肋片21構(gòu)成，第一級(jí)肋片21為多片組合而成，散熱器通過(guò)肋片進(jìn)行對(duì)流散熱，而回流管3則進(jìn)行對(duì)流散熱；強(qiáng)制冷卻裝置6為風(fēng)扇，風(fēng)扇設(shè)置于散熱器上方。

散熱裝置中控制器通過(guò)燈罩的溫度區(qū)間來(lái)控制散熱器和強(qiáng)制冷卻裝置6的工作狀態(tài)：當(dāng)LED表面溫度在40℃以下時(shí)，控制器開啟散熱器，由自然對(duì)流散熱方式散熱；LED表面溫度40-50℃之間時(shí)，控制器啟動(dòng)風(fēng)扇，對(duì)LED燈具進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷循環(huán)散熱；當(dāng)LED表面溫度50-60℃時(shí)，控制器啟動(dòng)回路管3進(jìn)行循環(huán)散熱；當(dāng)LED表面溫度60℃以上且工作時(shí)間超過(guò)規(guī)定時(shí)間，LED的控制器自動(dòng)減小20%的用電負(fù)荷，自動(dòng)調(diào)節(jié)LED的亮度。

四、總結(jié)

通過(guò)研究大功率LED模組發(fā)光機(jī)理及點(diǎn)面光源轉(zhuǎn)換方式的特點(diǎn)，本項(xiàng)目研發(fā)一次配光是在大功率LED芯片上封裝硅膠透鏡，模組透鏡的底面上設(shè)有杯罩，模組透鏡呈倒梯形安裝于基板上，且其梯形角度按照設(shè)定角度固定封裝。通過(guò)透鏡作用使點(diǎn)光源變?yōu)槊婀庠矗龃髥蝹€(gè)LED面光源出射光的角度，同時(shí)也增大LED面光源的照射面，也提高了LED面光源的出光均勻度。二次配光是平面排列的 LED光源采用橫縱方向非對(duì)稱形狀配光的透鏡設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)整二次配光弧面的曲率與LED面光源的間距的組合設(shè)計(jì)。

大功率LED燈具的主要熱性能參數(shù)為結(jié)溫和熱阻，LED封裝材料的熱阻較大，散熱能力有限，還要通過(guò)芯片內(nèi)部熱沉向外傳遞熱量，散熱冷卻系統(tǒng)在封裝結(jié)構(gòu)上采用大面積芯片倒裝結(jié)構(gòu)、金屬線路板結(jié)構(gòu)、導(dǎo)熱槽結(jié)構(gòu)、微流陣列結(jié)構(gòu)等；材料選取合適基板材料和粘貼材料，用硅樹脂代替環(huán)氧樹脂，采用新型導(dǎo)熱涂層散熱材料來(lái)解決導(dǎo)熱問(wèn)題。本項(xiàng)目采用液態(tài)金屬冷卻系統(tǒng)滿足LED芯片不同溫度的散熱調(diào)節(jié)。

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