柔性LED球泡燈的光熱電性能

鄭昌冉，劉全生，李艷偉，錢幸璐，鄭 飛，王 偉，王 利

(1.長春理工大學，吉林 長春 130022；2.上海應用技術大學，上海 201418)

引言

發(fā)光二極管(LED)是新一代光源，將其用于照明，可以節(jié)省電力消耗[1,2]。白光LED近年來發(fā)展迅速，已廣泛應用于信號、顯示、汽車照明、景觀照明等領域[3，4]。隨著白熾燈的逐步禁用，LED燈絲燈因其仿古的造型獲得一些懷舊人群的追捧[5]。市場上的LED燈絲通常被設計成直條狀，封裝在泡殼內，然而這種LED硬燈絲無法設計出圓滑多變的造型或在有限的內部空間要求更大輸入功率的燈泡，此外燈泡的功率往往會受燈絲長度的限制，散熱性能也會受到影響[6]。目前，大多數(shù)光熱電性能的研究多數(shù)集中在剛性、不易彎曲的LED硬燈絲上，而有關柔性燈絲光熱電性能的報道很少。柔性LED燈絲的芯片串聯(lián)或并聯(lián)發(fā)光時，可以呈現(xiàn)出多角度、多層次立體均勻發(fā)光的特點，且在樣式上更受大家的喜愛，在加工工藝上更加便利。本文制備的螺旋柔性LED燈絲采用倒裝芯片，利用平面涂覆技術,保持了螺旋柔性LED燈絲的色度、亮度的均勻一致性，改變了現(xiàn)有熒光粉涂層的形狀和工藝，使芯片表面的熒光粉層厚度均勻化。本文對螺旋柔性LED燈絲的加工工藝進行研究，對燈絲的光熱性能進行測試，從而更好地為研發(fā)和生產(chǎn)提供參考。

1 實驗

1)樣品制備。本文提出制備的新型螺旋柔性LED球泡燈如圖1所示。通過固晶機將94顆倒裝芯片均勻地固定分布在直徑為26 mm的螺旋樹脂基板上；倒裝芯片的幾何尺寸規(guī)格為200 μm×510 μm×150 μm，芯片內部的p-n結將一部分的電能轉化為光能。因為芯片環(huán)繞一周均勻分布，所以燈絲的發(fā)光較為均勻。采用SY-6021硅膠A，SY-6021硅膠B，Lu3Al5O12:Ce熒光粉,粒子直徑為13 μm，發(fā)射波長530 nm，(Sr,Ca)AlSiN3:Eu熒光粉B,發(fā)射波長640 nm和C熒光粉(Sr,Ca)AlSiN3:Eu，發(fā)射波長628 nm,質量比分別為硅膠A∶硅膠B∶熒光粉A∶熒光粉B為52∶13∶12∶1.12。額定電壓為135 V，對螺旋樹脂基板雙面點膠。分別取封裝后合格的燈絲，封裝成圖1所示的燈泡。

圖1 柔性燈泡Fig.1 Flexible bulb

2)測試方法。采用遠方積分球BM-7測量此螺旋柔性LED球泡燈的光通量、色溫和色坐標，計算出光效。將螺旋柔性LED燈泡正負極用積分球中的夾具夾住，置于積分球中心。將光纖伸入積分球，固定好光纖。將恒流源與積分球連接，輸入電壓電流點亮LED。LED發(fā)射的光經(jīng)積分球內部白色漫反射層,漫反射一部分光線通過積分球表面的通光孔徑光纖傳輸?shù)轿⑿投嗤ǖ拦庾V儀，光譜儀采集的數(shù)據(jù)通過USB接口發(fā)送到計算機進行處理和顯示[5]。

采用結溫測試儀LED-T300對這種柔性LED球泡燈進行相同功率下pn結溫度測量和熱阻以及球泡燈表面溫度的測量。用紫外線照射光敏膠將熱敏電阻固定在泡殼表面中心位置。放進結溫測試儀對應的烤箱進行定標。定標完成后將燈泡取出連接在結溫測試儀相應位置，在相應定標文件下，利用恒流源輸入不同電流驅動，測量不同功率下的結溫和熱阻變化。

為了探究燈絲發(fā)光的光分布情況，我們做了關于燈泡光分布均勻性實驗。在黑暗的情況下，利用遠方照度計BM-7對準點亮后的燈泡，照度計鏡頭對準燈泡，保持恒定的距離，以相同角度間隔均勻放置12個位置，測試記錄光強。

2 結果與分析

2.1 光譜圖

將被測燈泡樣品放入遠方積分球，點擊精確光譜儀開始測試，點亮樣品燈泡測試得到樣品的光通量、色溫和色坐標。用獲得數(shù)據(jù)可以繪制得到該種螺旋柔性燈泡的光譜圖如圖2所示，可見隨著驅動電流變大，藍光LED的峰值波長的光譜強度明顯增大，半高寬增加，峰值波長未發(fā)生明顯的藍移或紅移現(xiàn)象，說明這種燈泡的性能穩(wěn)定[7]。

圖2 柔性燈泡樣品的光譜圖Fig.2 The spectral diagram of the flexible bulb

2.2 發(fā)光效率的變化

連續(xù)測同類樣品5組取平均值可得到燈泡樣品的光通量隨電流變化如圖3所示。圖3說明這種柔性燈泡的光效呈現(xiàn)出隨電流先上升后下降的變化趨勢，隨著電流的增大，光效先增大，后下降，下降的斜率逐漸增大，下降速度變快。在10 mA附近時，發(fā)光效率達到最大值，電能轉化為光能的效率最大。這是一種與散熱無關的“效率驟降”現(xiàn)象，即隨著驅動功率密度的增加，發(fā)光效率會快速衰減。

圖3 發(fā)光效率隨電流變化Fig.3 The Change of Luminescence Efficiency with Current

如表1所示，LED燈絲從瞬態(tài)到穩(wěn)態(tài)時，光通量下降了7.5%，這是因為燈絲在從瞬態(tài)到達穩(wěn)態(tài)的過程中，結溫升高,LED的電光轉換效率降低。所以，當輸入相同的功率時產(chǎn)生的可見光的量減少，光通量也相應減少。然而，光通量只下降了7.5%，說明在泡殼內封入流動性較強的氦氣有助于加強傳熱和散熱，降低結溫，減少發(fā)光效率的降低，使電能轉化為熱能的量減少。如表1所示，燈泡從瞬態(tài)到穩(wěn)態(tài)的過程中，色溫少許上升，這是因為熒光粉的熱猝滅效應大于芯片，熱輻射的溫度大于芯片的溫度[8]。熒光粉的吸收散射特性、粒徑分布及熒光粉涂層的形狀對LED色溫角空間分布具有直接影響[3]。

表1 光學性能數(shù)據(jù)表

2.3 色坐標變化

圖4是燈泡的色坐標變化圖，隨著驅動電流的增加，色坐標幾乎沒變，色溫在2 500 K左右小幅度地變化，可以認為驅動電流的增加，對藍光LED的色溫沒有明顯的影響。色溫2 500 K說明該種燈泡是暖白光燈，不適合用來直接照明，適合做氣氛燈具。

圖4 色坐標變化圖Fig.4 Change chart of Colour coordinate

2.4 光分布圖

圖5是在暗場條件下，用杭州遠方BM-7型亮度計從-180°到+180°以相同角度間隔放置12個位置對燈絲進行了平均測量。圖5顯示了發(fā)光強度L隨角度的變化。我們可以利用公式UL=Lmin/Lmax×100%計算亮度均勻性UL，得出UL為92%，說明這種燈泡的發(fā)光均勻性良好。

圖5 光分布圖形Fig.5 Light distribution graph

2.5 熱學模擬

圖6展示了蚊香形燈泡的模擬結果，進一步解釋燈絲結構對散熱的影響的原因，可以看出填充氣體在燈泡內部流動的軌跡和的燈泡內部的溫度分布情況。從燈泡內氣體流動情況，可以看出熱氣體從泡殼底端產(chǎn)生，沿著柔性燈絲結構內部向上流動，當這些熱氣體到達泡殼頂端后，氣體沿著具有弧度的泡殼內壁向下流動。因為泡殼具有一定的弧度，氣體在沿泡殼內壁向下的時候，會產(chǎn)生向上回旋，然后穿過柔性燈絲結構，形成一種循環(huán)。因為頂端與底端的熱不均勻，能夠形成一定的氣體壓力差。這種壓力差能夠加速泡殼內部的氣體循環(huán)流動[9,10]。氣體循環(huán)加快使得泡殼內的熱對流也能加快，增強燈泡的散熱能力。通過熱學模擬呈現(xiàn)的溫度分布情況可以看出燈泡內部的熱量主要集中在燈絲內部，在支架附近溫度達到最高。這種柔性燈泡采用的是玻璃支架，散熱沒有達到最優(yōu)情況。市面上燈泡也多采用這種玻璃支架，尋找散熱更好的支架，有利于降低燈泡的結溫，延長燈泡的使用壽命。

圖6 熱學模擬圖像Fig.6 Thermal simulation image

2.6 熱阻

如圖7所示，燈泡在不同電流驅動下，熱阻隨功率增大而減小，減小的趨勢從陡峭趨于平緩。

圖7 熱阻變化趨勢圖Fig.7 Trend chart of thermal resistance change

根據(jù)熱阻的性質可以定義為

RJ=RJ1+RJ2+RJ3+RJ4+RI

(1)

式中RJ表示該種螺旋柔性燈泡的總熱阻，RJ1表示芯片層的熱阻，RJ2表示基板層的熱阻，RJ3表示散熱層的熱阻，RJ4表示填充氣體的熱阻，RI表示各部分接觸熱阻的和。

RI=RI1+RI2+RI3

(2)

式中RI1、RI2、RI3表示這些物理層之間接觸間隙形成的熱阻，稱為接觸分熱阻，接觸總熱阻RI可以看做RI1、RI2、RI3這些接觸熱阻串聯(lián)而成。

芯片層、基板層、散熱層的材料由非金屬固體構成，非金屬材料的導熱系數(shù)隨溫度的升高而增大。隨著功率的增大，輸入電能變大，轉換的熱能增多，導致溫度升高，這些材料的導熱系數(shù)增大、熱阻減小，對熱量的阻礙能力降低，有利于散熱。

RJ4表示填充氣體的熱阻，填充的是導熱系數(shù)高的氦氣，隨著功率增大、溫度升高，分子的運動加劇，氦氣的導熱系數(shù)增大，熱阻降低。

RI表示各部分接觸熱阻的和，即

RI=RI1+RI2+RI3

(3)

式中RI1、RI2、RI3表示的是這些物理層之間接觸間隙形成的熱阻，稱為接觸分熱阻。表面互相接觸時，隨著接觸面溫度升高，接觸熱阻呈現(xiàn)下降規(guī)律。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的理由是由于當接觸面溫度變化時，接觸表面的微觀結構發(fā)生變化。同時，接觸固體本身的熱阻也在變化中。

通過以上對LED各部分熱阻的分析可以得到，隨著功率增大，溫度會升高，各部分的熱阻都會發(fā)生不同程度的下降。同時引入接觸分熱阻的概念來使得不同材質的物體之間因為導熱系數(shù)差異引起的復雜問題得到化簡。同時，這里的熱阻概念是一個動態(tài)的概念，受客觀條件的限制與影響。

2.7 結溫

將熱敏電阻固定在燈泡樣品的表面，然后放入結溫測試儀的烤箱中定標，定標完成后，利用所得的定標文件，輸入不同驅動電流，測量燈泡樣品的pn結溫，得到不同功率下的pn結溫度的變化趨勢。如圖8所示，隨著輸入電流的變大，燈泡的結溫呈現(xiàn)上升趨勢，上升的斜率基本一致，上升的幅度大約為15 ℃。結溫的產(chǎn)生的原因有兩個方面，一是發(fā)光效率的降低，電能轉化為熱能增加；二是散熱能力[11]。

圖8 結溫變化趨勢圖Fig.8 Trend Chart of Junction Temperature Change

根據(jù)圖3，發(fā)光效率先增大后降低，輸入的電能增大，電能轉化為熱能變大。與此同時，燈泡的熱阻變小，散熱能力變強，兩者的影響疊加之后，電流增加5 mA時結溫均勻增加約15 ℃。同時，結合式(4)～式(6)進一步說明這種效果的疊加。

RJ=ΔT/PH

(4)

ΔT=TJ-TX

(5)

PH=PE-POpt

(6)

式中RJ是總熱阻，ΔT是結溫和環(huán)境溫度的差值，TJ是結溫，TX是環(huán)境溫度，PE是熱功率，POpt是光功率，PH是熱功率和光功率的差值。RJ隨功率增大而變小；PE隨功率增大而增大，電能更多轉化為熱能放出；POpt光功率減小，所以PH的值是變大的。

PHRJ=ΔT

(7)

根據(jù)式(4)～式(7)和ΔT=15 ℃可以得到，PH的增幅和RJ的降幅抵消，兩者的乘積為定值。

3 結論

我們基于一種具有螺旋形狀、可拉伸的蚊香形LED燈絲，制備出一種新型柔性LED球泡燈。新型柔性燈絲采用倒裝芯片簡化了封裝工藝，降低了生產(chǎn)成本；利用平面涂覆技術,保持了蚊香形柔性LED燈絲的色度和亮度的均勻一致性，其光分布圖也說明這種燈泡的發(fā)光均勻性良好。采用熱導率好的樹脂材料作為基板，有利于降低結溫。此外，樹脂材料柔韌性較好，利于拉伸出想要的燈絲形狀。這種燈泡在內部沖入流動性強的氦氣加速內部氣體的對流，提高散熱能力。這種球泡燈的色溫穩(wěn)定，色溫為2 500 K。