LED模組化——LED發(fā)展新趨勢

照明是人類基本需求，照明也代表經(jīng)濟(jì)活動的高低。近年來由于全球經(jīng)濟(jì)增長，持續(xù)的城市化，非市區(qū)電力網(wǎng)的擴(kuò)大建設(shè)等因素，帶動了一般建筑物與制造業(yè)建廠增加，都使得照明需求快速增長，耗用能源也持續(xù)增長。 LED作為一種全新的光源，正越來越多地被融入到人們的生活當(dāng)中，它的發(fā)展脫離不了人們對照明的需求。相比于傳統(tǒng)光源（比如熒光燈和白熾燈），LED在接近于理論轉(zhuǎn)換效率時，要比傳統(tǒng)光源的光效高出5-20倍。即使是現(xiàn)階段的量產(chǎn)光效，其水平也在2-15倍之間，同時結(jié)合到其指向性的優(yōu)點，此差距將會更大。由于發(fā)光原理的改變，其壽命也會比傳統(tǒng)光源高出很多。此外，由于LED還具備對健康和環(huán)境無危害等一系列的優(yōu)點，其在現(xiàn)階段已被公認(rèn)為是下一代最為合適的光源。然而，LED照明燈具至今不能被大量推廣應(yīng)用，不能進(jìn)入千家萬戶，其主要原因是LED 照明燈具價格居高不下，如何降低LED照明燈具的價格，市場和經(jīng)驗告訴我們---LED模組化。

LED模組化發(fā)展模式：（1）光源模組化，（2）器件+PCB板集成化，（3）光源和電源集成化，（4）光源，電源，散熱，光學(xué)集成化，（5）連接端口，底座標(biāo)準(zhǔn)化。

作為LED垂直整合企業(yè)，真明麗集團(tuán)獨創(chuàng)LMDM照明整合服務(wù)計劃，為客戶提供客制化的照明解決方案，并在各個產(chǎn)品的開發(fā)階段協(xié)助客戶解決光，熱，電，機(jī)等四個關(guān)鍵上的技術(shù)困難。

本文主要從LED光源模組，標(biāo)準(zhǔn)接口，散熱設(shè)計等方面予以闡述。

一.光源模組
此項包括COB和光源器件+PCB兩種模式。見下圖。

一.光源模組
此項包括COB和光源器件+PCB兩種模式。見下圖。

1.COB封裝
COB封裝即chip On board，就是將裸芯片用導(dǎo)電或非導(dǎo)電膠粘附在互連基板上，然后進(jìn)行引線鍵合實現(xiàn)其電連接（覆晶方式無需引線鍵合），即LED芯片和基板集成技術(shù)。
針對COB封裝目前可分為兩大類：（1）低熱阻封裝工藝；（2）高可靠性封裝工藝。
（1）低熱阻封裝工藝
低熱阻COB封裝目前分為鋁基板COB，銅基板COB，陶瓷基板COB。

鋁基板COB由于其基板的低成本，所以封裝出來的COB光源具有超高的性價比，另外，光效最高可做到130LM/W,基于以上等優(yōu)點廣泛應(yīng)用與LED球泡燈，LED筒燈等燈具上，但是由于鋁基板導(dǎo)熱系數(shù)的限制（目前常規(guī)基板導(dǎo)熱系數(shù)在1-2W/m.K），適宜做5-10W COB光源。

銅基板COB，由于芯片直接固定在銅上面，銅的導(dǎo)熱系數(shù)在380W/m.K，導(dǎo)熱效果好，可以封裝20-50W的COB，另外光效可達(dá)130LM/W，目前廣泛應(yīng)用與LED投射燈，LED路燈等燈具上，但是為防止局部過熱，一般封裝20-50W左右COB光源。

陶瓷基板COB，陶瓷目前是公認(rèn)最適合做LED封裝基板的材料，以其優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，優(yōu)良的絕緣性能，熱形變小等優(yōu)點廣泛應(yīng)用與高檔次，高可靠性LED燈具中，目前可封裝10-50W COB光源，但是由于其基板價格較貴，一般用于高端LED照明和高可靠性要求的照明領(lǐng)域。

（2）高可靠性封裝工藝
目前針對一些特殊場合的照明，對LED燈具的可靠性要求特別高，比如說LED路燈，LED隧道燈，LED防爆燈，LED礦燈等，由此對LED光源的可靠性要求也非常高。

作為LED封裝影響可靠性的前三大影響（熱影響、靜電影響、濕氣影響）之一的熱影響，是造成LED衰減的一個重要原因。以LED芯片適用的Arrhenius模型來看，LED的結(jié)溫每增加10℃，LED自身的壽命將隨之減少1半。

P=P0exp（-βt）
P0-初始光功率，β-衰減系數(shù)，t-LED老化時間
β=β0Ifexp（-Ea/kTj）
β0-常數(shù)，k-波爾茲曼常數(shù)，Tj-芯片的節(jié)溫，Ea-活化能
由于陶瓷基板具有很高的導(dǎo)熱系數(shù)和絕緣性能，可解決熱影響和靜電影響，另外陶瓷基板和硅膠具有很好的結(jié)合性能，可解決濕氣影響，另外采用覆晶工藝除去金線進(jìn)一步大幅度的提高了整個光源組件的可靠性，采用COB封裝提高了光源組件的性價比，因此，采用陶瓷基板COB外加覆晶工藝可滿足高要求的LED應(yīng)用領(lǐng)域。

２.光源器件+PCB
光源器件+PCB形成的光源模組，旨在推進(jìn)光源模組標(biāo)準(zhǔn)化，方便LED燈具制造廠商制造流程。

以上僅以3014和5630加以說明，還有仿流明，陶瓷3535，3528等光源器件+PCB的模式，應(yīng)用與LED射燈，LED路燈，LED日光燈管，LED球泡燈，LED筒燈等，極大地方便LED燈具制造商。

由以上可以看出采用COB光源有著諸多的好處，低熱阻，高可靠性，高性價比，是LED照明普及的必經(jīng)之路。另外，LED器件+PCB的模式極大地方便了LED燈具制造廠商，簡化了作業(yè)流程，標(biāo)準(zhǔn)化更進(jìn)一步。

二．標(biāo)準(zhǔn)接口
目前LED照明燈具蓬勃發(fā)展，特別是室內(nèi)LED燈具幾乎每天都有新的公司加入，新的燈具誕生。故LED室內(nèi)燈具市場是五花八門，各行其道，這樣一來給室內(nèi)LED燈具的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)及推廣帶來了很大的不便。為此，LED接口標(biāo)準(zhǔn)化勢在必行。在此主要介紹為光源產(chǎn)品提供標(biāo)準(zhǔn)接口。
光源組件標(biāo)準(zhǔn)接口包括：（1）COB標(biāo)準(zhǔn)接口；（2）光源器件+PCB標(biāo)準(zhǔn)接口。
（1） COB標(biāo)準(zhǔn)接口
在此以陶瓷COB為例加以說明。目前在實際使用的陶瓷COB產(chǎn)品中，由于陶瓷基板具有很好的導(dǎo)熱性能，在實際焊線過程中較為困難；另一方面，由于陶瓷具有易碎的特性，因此，為陶瓷COB開發(fā)一款集壓緊與引出導(dǎo)線的燈座為首選。

燈座圖片

COB+燈座+散熱器圖片

通過加燈座，一方面起到固定陶瓷COB的作用，另一方面起到電氣連接的作用。

（2） 光源器件+PCB標(biāo)準(zhǔn)接口
在PCB板上加上連接器，這樣以來省去了手工焊接，縮短了安裝時間，另外維護(hù)更簡單。

三．散熱設(shè)計
目前LED功率約70%-80%轉(zhuǎn)換成熱的形式，因此，LED應(yīng)用散熱設(shè)計,如何將LED組件溫度降到最低，一直都是應(yīng)用端需考慮的重點項目。
對于LED而言，選擇適合的操作環(huán)境，并快速地將LED點亮后產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出可維持LED原有的壽命和性能，其導(dǎo)熱途徑主要為以下四項：
（1） 由發(fā)熱體（LED組件）至散熱器；
（2） 散熱器熱傳導(dǎo)；
（3） 通過對流將熱散逸到空氣中；
（4） 透過表面熱輻射將熱移除；

路徑（1）：LED組件和散熱器的接觸面并非完美平整光滑，無法完全貼合，若無完全接觸，會因間隙中空氣的高熱阻，導(dǎo)致傳熱效果下降。因此要快速將LED組件的熱導(dǎo)出，其一關(guān)鍵結(jié)構(gòu)在LED與散熱器之間能否緊密的結(jié)合。簡單有效的做法，建議在LED組件與散熱器的接觸表面，均勻涂布適量的導(dǎo)熱膏以填補接觸面之間的間隙，并利用螺絲加強二者之間的附著力，加強導(dǎo)熱效果。

路徑（2）：散熱器本身會根據(jù)時間的不同，于不同的位置造成溫度差。其總導(dǎo)熱量為（Q），即某段時間內(nèi)散熱機(jī)構(gòu)所可以導(dǎo)出的總熱量，是由
（1） 發(fā)熱體與散熱器兩端的溫）差（△T = Tj-Th ）；
（2） 散熱器的導(dǎo)熱系數(shù)（K）；
（3） 熱傳總面積（A）；
（4） 熱傳的直線距離（L）；

所組成的。其散熱公式為：

在LED散熱設(shè)計時，Tj有最高限制，由提高散熱系數(shù)，增加散熱面積（鰭片數(shù)量），或縮短熱傳的直線距離，皆可提高散熱機(jī)構(gòu)單位時間的導(dǎo)熱量。其中金屬材料的高導(dǎo)熱性和高性價比為首要選擇。

路徑（3）：熱散逸機(jī)制包含熱對流與熱輻射。無論對流或者輻射，其成效與散熱器的表面積皆成正比關(guān)系，若散熱器的總表面積越大，則散熱效果越佳。散熱鰭片越多，可增加總表面積；但在限制的體積內(nèi)，設(shè)計過多數(shù)量的鰭片，反而抑制了對流的效果?，F(xiàn)在有許多熱設(shè)計，利用外部風(fēng)扇強制對流，達(dá)到將熱強制移除的效果，但此設(shè)計牽制到噪音，電路等限制問題，在此不多加贅述。

路徑（4）；相對于未處理的散熱器，在散熱器表面覆蓋一層高輻射率材料（輻射率與等于1），如陶瓷或深色皮膜等，加強表面熱輻射效果。一般常見的表面陽極處理，或表面蝕刻，都是提高熱輻射能力的方法。

散熱器設(shè)計重點：
（1） LED組件和散熱器之間的緊密度及接觸面的平整度；
（2） 散熱器總表面積；
（3） 散熱器材質(zhì)選擇；
（4） 鰭片數(shù)量優(yōu)化（氣體流動設(shè)計）

四.結(jié)束語
LED封裝是一個涉及到多學(xué)科(如光學(xué)、熱學(xué)、機(jī)械、電學(xué)、力學(xué)、材料、半導(dǎo)體等)的研究課題。從某種角度而言，LED封裝不僅是一門制造技術(shù)，而且也是一門基礎(chǔ)科學(xué)，良好的封裝需要對熱學(xué)、光學(xué)、材料和工藝力學(xué)等物理本質(zhì)的理解和應(yīng)用。LED封裝設(shè)計應(yīng)與晶片設(shè)計同時進(jìn)行，并且需要對光、熱、電、結(jié)構(gòu)等性能統(tǒng)一考慮，將眾多器件集成化，形成LED模組，推進(jìn)LED照明更好更快發(fā)展。