基于垂直与水平散热模式LED光电热特性研究

结果表明：即使大电流驱动垂直模式LED，其散热效果依然优于小电流驱动的水平散热模式LED。此外，良好的散热优势使得垂直模式LED在大电流驱动下获得更高的光通量。在照明应用中小功率LED加大电流提高光通量从而可降低成本。垂直模式LED散热效率高、光通量高、成本低的优势是成为照明应用光源趋势的主要因素。

　　表4. 3014LED（25mA）与3528LED（20mA）的热模拟对比

　　三、封装试验测试对比

　　（一）、两种不同散热结构LED的封装

　　为了保证可对比性，采用相同的物料（相同的芯片、固晶胶、金线、硅胶、萤光粉）分别对3528 LED及3014LED进行封装，制作色温、色坐标相近的LED灯珠，以便更好的进行亮度、光衰及色坐标等光学特性的比较分析。

　　（二）、初始参数测试对比

　　随机选取3014LED和3528LED各20个，其光通量和色温如图9、图10所示，横坐标表示LED个数，纵坐标表示光通量和相关色温CCT。

　　图9. 光通量比较图

　　图10. 色温比较图

　　初始参数测试结果表明，在20mA电流驱动下，3014LED的光通量比3528高，且其CCT集中度比3528LED好。另3014一般在30mA电流下驱动使用，其光通量达到10~11Lm；如上节热模拟显示，3528LED散热效果远不如3014LED，故其在大电流驱动下，光通量必定会严重受到过高热量的影响。因此相比水平散热LED，垂直散热LED具有不可比拟的优势。

　　（三）、光衰试验对比分析

　　随机抽取3528LED和3014LED各30pcs，按驱动电流20mA、25mA、30mA各分为三组进行1008H的光衰实验，以比较分析两种不同散热模式LED的光衰和色坐标漂移程度，从而研究散热对其光色特性的影响。

　　图11. LED光衰图

　　从光衰图曲线可以明显看出，在1008H的老化过程中，水平散热LED在20mA驱动时，其亮度并未随时间衰减；但是在25mA 及30mA 驱动时，特别是30 mA，其亮度有明显的衰减。这表明过高的热量对亮度产生了很大的影响。相比水平散热LED，垂直散热LED的优势及稳定性显而易见。不管在大电流或小电流驱动，垂直散热LED经过1008H老化，亮度反而增高，并未有衰减趋势。

　　此外，水平散热LED的光衰随驱动电流加大而升高加快，这表明随着加大驱动电流，芯片产生更多的热量，水平散热LED未能把过多的热量散去，从而使亮度受到的更大的影响。相反，垂直散热LED的亮度随驱动电流的加大而升高更多，电流越大，亮度增加的越多，光衰越慢。这表明电流越大，虽然产热更多，但垂直散热LED的散热优势更加彰显，从而降低了芯片在加大电流带来更高热量的影响。光衰图明显的显示了两种不同散热模式的散热效果的优劣。

　　亮度衰减主要原因为芯片老化，而过高的热量又是芯片老化的首要原因。与水平散热LED相比，垂直散热LED能将芯片产生的热量迅速散去，有效地将芯片性能衰减降至最低，从而保证了亮度的可靠性。

　　图12. CIE-x漂移图

　　图13. CIE-y漂移图

　　图12和图13分别表示了两种散热模式LED的色坐标CIE-x、CIE-y平均值随时间的变化。整体来看，垂直散热LED的色坐标明显较水平散热LED稳定，漂移较小。在30mA驱动下，垂直散热模式LED色坐标CIE-x、CIE-y的平均值分别漂移-0.0027、-0.0033，而水平散热模式LED色坐标CIE-x、CIE-y的平均值分别漂移-0.0210、-0.0246，两者差距非常明显。色坐标漂移主要因素是萤光粉性能老化，而过高的热量又是导致萤光粉性能老化的首要原因。从而可以看出，垂直散热模式LED可以将芯片产生的热能迅速带出，有效使得萤光粉的性能衰减至最低，从而保证LED灯珠的光色性能稳定可靠。

　　结论

　　本文从结构、光电参数、热学特性、光衰及成本等方面对垂直散热和水平散热LED进行了研究分析对比，结果表明垂直散热模式LED的光电热特性均远远优于水平散热模式LED。垂直散热模式优异的散热特性，能将芯片产生的热量及时导出，从而将芯片和萤光粉的性能衰减至最低，使得LED亮度高、散热快、光衰小及光色漂移小，在保证灯珠的性能稳定的同时，也提高了照明灯具整体光色一致及性能可靠稳定性，从而成为中小功率LED照明应用光源的发展趋势。

　　参考文献

　　[1] dr EICHHORN K．LEDs in automotive lighting[J]. SPIE, 2006, 6134:1-6．

　　[2] Arik M, BecKer C, Weaver S, et al. Thermal management of LEDs: package to system[C]. Proc.of SPIE, 2004, 5187:64-75.

　　深圳市九洲光电科技有限公司，深圳光明新区九洲工业园，518000

　　深圳大学光电子学研究所，封装实验室，深圳南山，518000

　　作者：刘沛，郭伦春，夏鼎智，罗强