颠覆性技术 中小功率LED新型散热之垂直模式

 与传统光源相比，LED固体光源具有效率高、光色纯、能耗低、寿命长，可靠耐用、应用灵活、无污染等优点，目前已被广泛应用于道路照明、家居照明、汽车照明、景观照明等领域。然而良好的散热特性是LED优异性能和稳定可靠的根本保证。温度对LED性能产生重要的影响，包括色温改变、波长红移、效率下降、正向压降等等，因此，热管理对LED的性能、光转换效率以及应用产生重要的影响。本文主要研究新型垂直散热模式LED在光电热特性方面的潜在优点。与传统水平散热模式LED相比，垂直散热结构LED具有亮度高、散热快、光衰小、成本低、稳定可靠的特点，是目前中小功率LED中应用照明光源的发展趋势。

垂直与水平散热模式结构对比

在本文两种不同散热模式LED特性分析中，新型垂直散热模式LED选用目前市场及应用热门的3014LED为例，传统水平散热模式则选用常用的3528LED为例，以做对比分析。

图1和图2分别为垂直散热与水平散热LED的结构示意图，图3所示为两种LED的散热方式示意图。

图1.垂直散热模式结构示意图

图2.水平散热模式结构示意图

图3.水平与垂直散热方式示意图

从图1、图2的结构图中可以看出，3528LED在结构是通过銲接两端电极的焊脚进行散热，散热方式为水平散热。3014LED在结构上是通过底板散热通道进行散热，散热方式主要为垂直散热。图3更清楚的表达了两种不同结构LED 的散热模式。

LED灯珠的热学特性模拟

为了更好的研究对比分析不同散热结构LED的散热情况，我们使用了ANASYS有限元分析模拟软件进行建模及热学模拟分析。

为了能更方便的计算LED的热阻，首先设置底板温度参数为60℃，芯片功率为0.06W，固晶胶KER-3200-TI厚度为0.01mm，驱动电流为20mA进行热分析，水平散热结构 LED及垂直散热结构LED的热分布分别如图4、图5所示。

图4.水平散热结构LED热模拟温度分布图

图5.垂直散热结构LED热模拟温度分布图

表1.散热模拟温度数据

由图4、图5及表1可以看出，当同时控制基底温度为60℃和LED工作电流为20mA时，虽然垂直散热模式LED的芯片温度要略高，这是因为所选用的3014LED模型的体积及散热面积均远小于3528 LED，热量过于集中所造成。但垂直散热模式的温差较小，其热阻117 mm²℃/W也远低于传统水平散热156 mm²℃/W，均表明垂直散热模式的散热效率优于水平散热模式。

与传统光源相比，LED固体光源具有效率高、光色纯、能耗低、寿命长，可靠耐用、应用灵活、无污染等优点，目前已被广泛应用于道路照明、家居照明、汽车照明、景观照明等领域。然而良好的散热特性是LED优异性能和稳定可靠的根本保证。温度对LED性能产生重要的影响，包括色温改变、波长红移、效率下降、正向压降等等，因此，热管理对LED的性能、光转换效率以及应用产生重要的影响。本文主要研究新型垂直散热模式LED在光电热特性方面的潜在优点。与传统水平散热模式LED相比，垂直散热结构LED具有亮度高、散热快、光衰小、成本低、稳定可靠的特点，是目前中小功率LED中应用照明光源的发展趋势。

垂直与水平散热模式结构对比

在本文两种不同散热模式LED特性分析中，新型垂直散热模式LED选用目前市场及应用热门的3014LED为例，传统水平散热模式则选用常用的3528LED为例，以做对比分析。

图1和图2分别为垂直散热与水平散热LED的结构示意图，图3所示为两种LED的散热方式示意图。

图1.垂直散热模式结构示意图

图2.水平散热模式结构示意图

图3.水平与垂直散热方式示意图

从图1、图2的结构图中可以看出，3528LED在结构是通过銲接两端电极的焊脚进行散热，散热方式为水平散热。3014LED在结构上是通过底板散热通道进行散热，散热方式主要为垂直散热。图3更清楚的表达了两种不同结构LED 的散热模式。

LED灯珠的热学特性模拟

为了更好的研究对比分析不同散热结构LED的散热情况，我们使用了ANASYS有限元分析模拟软件进行建模及热学模拟分析。

为了能更方便的计算LED的热阻，首先设置底板温度参数为60℃，芯片功率为0.06W，固晶胶KER-3200-TI厚度为0.01mm，驱动电流为20mA进行热分析，水平散热结构 LED及垂直散热结构LED的热分布分别如图4、图5所示。

图4.水平散热结构LED热模拟温度分布图

图5.垂直散热结构LED热模拟温度分布图

表1.散热模拟温度数据

由图4、图5及表1可以看出，当同时控制基底温度为60℃和LED工作电流为20mA时，虽然垂直散热模式LED的芯片温度要略高，这是因为所选用的3014LED模型的体积及散热面积均远小于3528 LED，热量过于集中所造成。但垂直散热模式的温差较小，其热阻117 mm²℃/W也远低于传统水平散热156 mm²℃/W，均表明垂直散热模式的散热效率优于水平散热模式。

(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。