大功率白光LED路灯发光板设计与驱动技术

摘要： 为最大可能提高大功率LED路灯发光板的电光转化率与散热效率，在不影响外量子效率前提下对LED芯片设计采用扩大LED芯片面积，以及电极优化技术增加LED芯片的出光量，使芯片表面热流均匀分布，芯片工作更稳定。分析了大功率白光LED的封装过程对提高芯片取光率、保障白光质量、器件散热技术的综合应用。综合上述技术及有限元分析软件对大功率LED器件封装的热阻分析结果，确定了COB(chip onboard)LED芯片的阵列组装技术，为制造LED路灯发光板的最佳技术方案。LED芯片结温很容易控制在120 ℃以下，与外部散热技术兼容性好。通过光线最佳归一化数学模型计算了LED芯片阵列芯片间最佳距离。最后通过对各种白光LED驱动方案的比较，确定了白光LED最佳驱动方案为恒电流驱动脉宽调制(PWM)调节亮度。

1 引 言

LED是一种绿色照明光源，其主要优点是发光效率高。随着材料科学的进展，在未来十几年其发光效率会有更大幅度的提高;且能量消耗低、寿命长、材料可回收，不会污染环境。

基于LED照明的以上优点，欧美、日本和韩国都制定了相应的法律法规和产业扶持政策，在未来十几年的时间里大规模推广相关技术到民用照明领域。我国虽然起步比较晚，但最近几年也开始了积极的科研开发和产业政策的制定和扶持等工作。

2 大功率白光LED路灯发光板设计的相关应用技术

目前，白光LED 技术主要有三种：采用InGaN蓝色LED管芯上加少量钇铝石榴石为主的荧光粉，由蓝光LED激发荧光粉发出黄光，与蓝光混合发出白光;利用三基色原理将红、绿、蓝三种LED混合成白光;用紫外光LED 激发三基色荧光粉产生多色光混合成白光。

其中第二种方案控制难度较高、而且阵列应用很难保证发出均匀的白光，而第三种白光技术所发白光有紫外光成分，因此这里选择第一种白光技术进行应用技术分析。大功率白光LED的发明成功为半导体发光元件进入照明领域提供了物质与技术保障。大功率白光发光二极管在照明领域的使用需要注意两方面问题：电/光转化率和发光组件的热控制。

大功率LED是一种小型器件，随着制造技术的提高，输入的驱动电流越来越大，输入功率也随之提高。虽然电/光转化率较高，但从芯片面积上来讲，应该算作是点光源，因此单位面积上发热量很大。而大功率LED器件性能随着结温的升高会受到很大影响，超过一定温度后，电/光转化率会急剧下降，甚至器件因为温度过高而永久失去功能。

2. 1 提高大功率LED 芯片电/光转化率并使芯片热流密度均匀化的芯片级应用技术

随着技术发展， LED的芯片二维尺寸不断地增大，通过扩大LED芯片面积，使得LED输出功率提高，发光亮度得以大幅度地提高。但若一味加大芯片面积，反而会出现LED炔康墓馕收比率增加、外部量子效率降低等不利的现象，并且结温的温升也会进一步升高。而且随着芯片二维尺寸的增加，芯片本身的发光效率也下降得很快。

为了优化LED芯片的热学、光学性能，一方面除了加大芯片的尺寸，另一方面可以通过优化芯片上电极结构使得整个芯片在工作时的电流均匀地扩散分布。如果电流分布不均匀，往往会导致热流密度以及光通量的不均匀分布，在芯片内部产生局部的热斑，这样将大大地降低LED器件的效率和可靠性。

为减少LED芯片中横向电流不均匀分布，有效电流路径长度必须很短并且同等，该长度决定于正电极和负电极的空间距离。图1(b)芯片电极通过优化后电流密度在整个芯片分布的均匀性要比图1 ( a)好。

图1 LED中不同电极结构的电流扩展分布

可知对于大芯片LED,单独一个电极设计是不利于电流扩散，因此现在的大功率LED多采用梳状条形交叉电极、梳状条形与点状结合的电极以及米字形的电极结构设计。这可以使得芯片内电流分布比较均匀，使发光芯片由单电极结构的点光源成为面光源，提高芯片总的光输出通量，另外可以使得芯片的表面热分布均匀，防止产生热斑。图2所示为主流的大功率LED的电极结构示意图，其中的米字型电极设计的芯片为美国Cree公司的专利产品。

图2 大功率LED芯片电极结构。

米字形电极结构主要应用是基于导电碳化硅( SiC)衬底生长的LED,其电流是垂直扩散，比起在绝缘透明蓝宝石(sapphire)衬底上生长GaN基梳状电极的LED芯片的横向扩散电流，其电流分布均匀性更好。

2. 2 大功率白光LED 的封装阶段对LED 芯片取光、保障白光质量与器件快速散热技术的综合应用

固晶阶段：将LED芯片焊接固定在导热衬底(热沉)上，一般在衬底上由下而上地敷有绝缘层、电路层、反射层。图3~5为三种芯片在衬底上的焊接固定方式。

图3 LED芯片正向焊接与双电极金属键合示意

图4 梳状条形电极LED芯片倒装焊接与双电极金属键合示意

图5 倒转焊在硅片上的单电极芯片

其中图4 和图5 的固晶方式与图3 的常规LED芯片的固晶方式相比较，将芯片的发热端与热沉层直接接触，非常容易散热，将比较大的发光面朝上，既考虑了取光率也考虑了散热，这是目前主流的大功率LED芯片焊接固定方式。