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发光二极管基板电路设计对光通量维持率的影响

日期:2015年5月27日 15:49

摘 要:针对发光二极管如火如荼的应用,文章重点分析了发光二极管热传导的路径,对比测试了不同基板电路下发光二极管光通量的变化,提出了利于发光二极管散热的电路设计原则。
关键词:发光二极管 电路 散热 光通量
正  文:
一、引言
1962年,美国人霍洛尼亚柯制成了世界上第一个发光二极管(LED)。随着光效的不断提升、成本的大幅下降和应用技术的成熟,LED得到越来越广泛的应用,在显示、指示、景观、照明、通讯等方面大量使用。
LED突出的一大优势在于长寿命。LED的理论寿命可达10万小时,但实际使用寿命仅几万小时,甚至几千小时。除LED自身品质外,影响LED实际寿命的主要因素是驱动电流、散热能力和环境条件 [1],而散热能力主要取决于热阻、有效散热面积。
具体到LED照明灯具,其部件主要为LED光源、LED驱动、LED基板、散热器、界面材料和结构件。其中LED基板是连接LED光源和LED驱动的电学中介,也是连接LED光源和散热器的热学中介。近年,出现了镜面金属基板上直接进行LED封装的COB技术,它将LED光源和LED基板融合为COB光源,得到了长足发展、并逐步成熟,但独立LED基板依然以大幅优势广泛存在于LED灯具中。研究LED基板对LED散热影响的现实意义仍然存在。
LED基板包括覆铜层(电路层)、介电层和基材层(有铝、环氧树脂、酚醛树脂等品种)。基板电路设计主要就是针对覆铜层进行平面形状设计,以满足电气需要。但是基板电路还是一个热学中介,普通LED灯具热传导路径如下图[2]。
 


图1 普通LED灯具热传导路径
 

图中LED基板为铝基板,包括基板电路层(覆铜层)、介电层和铝层。提高这三层的导热能力,无疑会减小热阻,提高LED寿命。尽管基板电路层具有高导热性能,但它毕竟是热传导路径的一分子,对LED散热和光通量维持率一定有所影响,有研究的必要。
LED基板电路层分为导电铜箔和导热铜箔;在满足电气要求状况下,导热铜箔的设计有比较大的自由空间,但无外乎要考虑其形状和面积。由于铜箔得导热性能远远优于各类导热胶(膏或脂类)和铝质热沉,其形状对散热和光通量维持率的影响很小,重点考虑面积因素。
二、不同电路设计下LED光通量的测量
为测量不同电路设计对光通量维持率的影响,我们设计了两款铝基板,如下图。



图2 两款电路设计


左款铝基板同右款铝基板的材质和外尺寸、导电铜箔(图中1、2)尺寸和位置完全相同,左款的导热铜箔(图中0)做到了最大化,右款的导热铜箔(图中0)做到了最小化(同普通1W大功率LED的导热底部大小相同)。我们用三点熔锡的方式(上图中1、2、0三点)将某公司同批次零散的白光1W  LED焊接于铝基板上,再用相同的导热硅脂将铝基板分别固定于相同的散热器上,最后用LED驱动点亮串联的LED光源。我们通过测量了不同时间下的LED光通量,如下两个表。


编号

0.0h光通量

0.5h光通量

18000h光通量

0.0h光通量

0.5h光通量

18000h光通量

(lm)

(%)

(lm)

(%)

(lm)

(%)

(lm)

(%)

(lm)

(%)

(lm)

(%)

A

84.4

100

80.1

94.91

63.6

75.36

88.4

100

83.4

94.34

64.2

72.62

B

64.4

100

60.4

93.79

52.4

81.37

86.8

100

82

94.47

62.2

71.66

C

86.6

100

81.8

94.46

71.1

82.10

82.7

100

78.5

94.92

63.6

76.90

D

91.8

100

87.6

95.42

73.4

79.96

87.6

100

82.9

94.63

60

68.49

E

87.4

100

82.6

94.51

69.8

79.86

91.7

100

86.5

94.33

62.1

67.72

F

86.9

100

82.8

95.28

69.3

79.75

90.1

100

85.2

94.56

65.6

72.81

G

82.6

100

78.5

95.04

69.1

83.66

85.4

100

80.9

94.73

60.2

70.49

H

89.2

100

84.9

95.18

71.8

80.49

70.6

100

66.7

94.48

50.7

71.81

小计

673.3

100

638.7

94.86

540.5

80.28

683.3

100

646.1

94.56

488.6

71.51

备注

采用左款铝基板

采用右款铝基板

用1只LED驱动点亮串联的16颗LED;不同时间下的百分比为该时间连续点亮后的光通量除以初始光通量;铝基板导热性能较优。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

表1 灯组一在不同点亮时间下的光通量


编号

0.0h光通量

0.5h光通量

18000h光通量

0.0h光通量

0.5h光通量

18000h光通量

(lm)

(%)

(lm)

(%)

(lm)

(%)

(lm)

(%)

(lm)

(%)

(lm)

(%)

A

84.3

100

79.5

94.31

66.8

79.24

85.3

100

80.0

93.79

57.3

67.17

B

75.3

100

71.0

94.29

62.1

82.47

81.9

100

76.8

93.77

55.4

67.64

C

83.8

100

78.5

93.68

66.2

79.00

88.4

100

82.6

93.44

58.9

66.63

D

89.3

100

84.8

94.96

76.8

86.00

96.7

100

90.6

93.69

61.7

63.81

E

91.9

100

86.6

94.23

71.6

77.91

87.8

100

82.4

93.85

61.4

69.93

F

92.5

100

87.1

94.16

69.6

75.24

83.6

100

78.8

94.26

57.4

68.66

G

93.0

100

87.7

94.30

70.8

76.13

93.3

100

86.9

93.14

61.5

65.92

H

88.1

100

83.2

94.44

71.9

81.61

85.3

100

79.4

93.08

61.0

71.51

小计

529.9

100

499.7

94.30

422.9

79.81

702.3

100

657.5

93.62

474.6

67.58

备注

采用左款铝基板

采用右款铝基板

用1只LED驱动点亮串联的16颗LED;不同时间下的百分比为该时间连续点亮后的光通量除以初始光通量;铝基板导热性能一般。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

表2 灯组二在不同点亮时间下的光通量
备注:为加速测试进程,散热器的散热面积较正常照明使用要小;灯组一和灯组二采用的驱动相同。
三、基板电路设计对光通量的影响
为直观体现基板电路设计对LED光通量的影响,截取表1、表2数据,并统计汇总结果见表3。

 

左款基板

右款基板

0h光通量

18000h光通量

维持率

0h光通量

18000h光通量

维持率

灯组一

673.3

540.5

80.28%

683.3

488.6

71.51%

灯组二

529.9

422.9

79.81

702.3

474.6

67.58%

灯组总计

1203.2

963.4

80.07%

1385.2

963.2

69.53%

表3 不同电路设计下光通量的变化
从表3可以明显看出,左款基板的18000h光通量维持率较高,高出约10%。也就是大面积导热铜箔的基板设计具有更强的散热能力。
四、基板导热性能对光通量的影响
为直观体现基板导热性能对LED光通量维持率的影响,截取表3数据并作分析,结果见表4。

 

左款维持率

右款维持率

维持率差异

备注

灯组一

80.28%%

71.51%

8.77%

铝基板导热性能较优

灯组二

79.81%

67.58%

12.23%

铝基板导热性能一般

表4 不同导热性能下光通量维持率的差异
从表4可以明显看出,大面积导热铜箔基板设计的优越性明显,但应用在导热性能低的基板上优越性更为突出。也就是导热性能低的基板(如酚醛基板、环氧基板)上采用大面积导热铜箔设计的必要性更为重大。
市场上还有很多没有热沉的LED品种,如直插LED、3528等,他们的热量主要靠电极传导,对应基板上的铜箔导热也导电。此类基板的导热铜箔和导电铜箔合二为一,在电路设计上依然要增大面积来明显提高光通量维持率,而且效果显著。
五、结语
基板作为LED和散热器之间的导电通道和导热通道,其作用不容忽视。基板电路设计影响LED光通量维持率,采用大面积导热铜箔设计有利于明显提高光通量维持率,尤其在应用低导热性能的基板和无热沉LED时。

参考文献

[1] 钟晓智;LED照明灯具寿命影响因素的研究;科技与企业;2014年第24期

[2]技术中心;浅谈LED光源产品中的热设计;艾比森电子期刊;2013年第46期

所属类别: 公司新闻

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