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延长白光LED使用寿命的探索

实际上,白光LED的施加电力持续超过1W以上时,光束的亮度反而会下降,发光效率则会相对降低25%左右。换言之,白光LED的亮度如果要比传统LED大数倍,电力消耗特性希望超越荧光灯的话,就必须完成抵制温升、确保使用寿命、改善发光效率以及发光特性均等化四大课题。
有关温升问题,具体解决方法是降低封装热阻;维持LED使用寿命的具体办法是改善晶片外形,采用小晶片;改善LED发光效率的办法是改善晶片的结构,采用小型晶片;发光特性均匀化的具体方法是改善LED的封装方法,这些技术正在陆续开发。
1,解决封装的散热问题才是根本方法
由于增加电力反而会造成封装的热阻急剧降至10K/W以下,因此,国外业者曾经开发出而高温白光LED,试图借此解决上述问题。大功率LED的发热量比小功率LED高数十倍,而且温升还会使其发光效率大幅下降,即使是封装技术允许高热量,实验证明,LED晶片的接合温度却有可能超过允许值。业者最终领悟到,解决封装的散热问题才是根本办法。
改用矽质封装材料与陶瓷封装材料,能使LED的使用寿命延长数倍,但是白光LED的发光频谱中含有波长小于450nm的短波长光线,而传统的环氧树脂封装材料极易被短波长光线破坏,因此,大功率白光LED的高光量加速了封装材料的劣化。有关测试显示,连续点灯不到1万小时,大功率白光LED的亮度已经下降了一半以上,根本无法满足照明光源长寿命的基本要求。
在LED的发光效率方面,改善晶片结构和封装结构,都可以达到与小功率白光LED相同的水平,主要原因是电流密度提高2倍以上时,不但不容易从大晶片上取出光线,结果反而会造成发光效率不如小功率LED的窘境,如果改善晶片的电极结构,理论上是可以解决上述取光问题的。
2,设法减少热抗阻,改善散热问题
有关发光特性均匀,一般认为只要改善白光LED荧光体材料密度的均匀性与荧光体的制作技术,应该可以克服上述困扰。如上所述,在提高施加电力的同时,必须设法减少热阻,改善散热条件。其具体内容分别是:降低晶片到封装的热阻,抑制封装至印制电路板的热阻,提高晶片的散热顺畅性。
为了降低热阻,许多国外LED厂商将LED晶片设在用铜与陶瓷材料制成的散热鳍片表面,再用焊接方式将印制电路板上的散热用导线连接到利用冷却风扇强制空冷的散热鳍片上。实验结果表明,上述结构的LED晶片焊接点的热阻可以降低9度/W,大约是传统LED的1/6,封装后的LED施加2W的电力时,LED晶片的接合温度比焊接点高18度,即使印制电路板的温度上升到500度,接合温度也只有700度左右。换句话说,降低LED晶片到焊接点的热阻,可有效的减轻LED晶片降温作业的负担。为此,松下电工公司开发出印制电路板与封装一体化技术,该公司将1平米的蓝光LED以倒装晶片方式封装在陶瓷基板上,再将陶瓷基板粘贴在铜质印制电路板表面。松下电工公司表示,包含印制电路板在内的模块整体热阻大约是15度/W。

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