２０１１年ｌ２月 照明工程学报 ＺＨＡ０ＭＩＮＧ ＧＯＮＧＣＨＥＮＧ ＸＵＥＢＡ０ ＤｅＣ． ２Ｏ１１ 第２２卷第６期 Ｖ０１．２２ Ｎｏ．６ 基于不同散热模式ＬＥＤ的光电热特性研究 刘沛 柴广跃 郭伦春 夏鼎智 罗强 （１．深圳大学光电子学研究所封装实验室，深圳５１８０００；２．深圳市九洲光电科技有限公司，深圳５１８０００） 摘要：本文分析了中小功率ＬＥＤ新型散热模式——垂直散热的潜在优点。与传统散热模式——水平散热相比， 新型垂直散热ＬＥＤ具有亮度高、散热快、光衰小、稳定性高等优点。本文对不同散热模式ＬＥＤ的结构、散热方式、 光衰及色坐标漂移进行了分析对比，并进行热特性模拟和实验测试分析。从散热、可靠性、稳定性及体积、成本等 方面研究了基于垂直散热结构的ＬＥＤ光电热特性。认为垂直散热结构的中小功率ＬＥＤ是目前照明应用的优秀光 源。 关键词：ＬＥＤ；热管理；ＡＮＡＳＹＳ；光衰；色漂移 Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＬＥＤ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｌｉｕ Ｐｅｉ Ｃａｉ Ｇｕａｎｇｙｕｅ Ｇｕｏ Ｌｕｎｃｈｕｎ Ｘｉａ Ｄｉｎｇｚｈｉ Ｒｕｏ Ｑｉａｎｇ （１．Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ５１８０００；２．Ｊｉｕｚｈｏｕ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ ５１８０００） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａ ｎｅｗ ｖｅａｉｃａｌ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｗｏ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｗｅｒｅ ｂｏｔｈ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ ＡＮＡＳＹＳ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ａｇｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｔｏ ｃｏｍｐａｒｅ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ、ｃｏｌｏｒ ｓｈｉｆｔ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｎｅｗ ｖｅ￣ｉｃａｌ ｃｏｏｌｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｈａｓ ｂｅｔｔｅｒ ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＬＥＤ；ｔｈｅｒｍａｌ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ；ＡＮＡＳＹＳ；ｌｕｍｉｎｏｕｓ ｄｅｃａｙ；ｃｈｒｏｍａｔｉｃｉｔｙ ｓｈｉｔｓ ｆ前中小功率ＬＥＤ中应用照明光源的发展趋势。 １ 引言 ２垂直与水平散热模式结构对比 与传统光源相比，ＬＥＤ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，目前已广泛应用于道路照明、家用照明、 汽车灯照明、景观照明等领域…。然而良好的散热 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。 特性是发挥ＬＥＤ优异性能和稳定可靠性的根本保 证。温度对ＬＥＤ性能产生重要的影响，如色温改 变、波长红移、效率下降、正向压降减少等，因此， 热管理对ＬＥＤ的性能、光电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 从图１、图２的结构图中可以看出，３５２８ＬＥＤ 在结构是通过焊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 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 第２２卷第６期 刘沛等：基于不同散热模式ＬＥＤ的光电热特性研究 ４７ 图１ 垂直散热模式结构示意图 圈 图２水平散热模式结构示意图 水平散热 垂直散热 图３水平与垂直散热方式示意图 更清楚的表达了两种不同结构ＬＥＤ的散热模式。 ３ ＬＥＤ灯珠的热学特性模拟 ＿ ｌ量｛｜ 睾荤一 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。 模拟模型参数设置如下：芯片功率为０．０６Ｗ， 固晶胶ＫＥＲ一３２００一ＴＩ厚度为０．０１ｍｍ，驱动电流 为２０ｍＡ。 分两种散热条件模拟： （１）底板散热器温度恒定为６０ｏＣ； （２）底板散热器为理想对流热辐射条件。 （１）底板散热器温度恒定为６０℃：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。 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 ● 图４水平散热结构ＬＥＤ热 图５ 垂直散热结构ＬＥＤ热模拟温度分布图 底温度为６０ｏ【＝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 ｍｍ ｏＣ／ｗ也远低于传统水平散 热１５６ ｍｍ ℃／Ｗ，均表明垂直散热模式的散热效率 优于水平散热模式。 嚣蓄 （２）底板散热器为理想对流热辐射条件：此次 霉 模拟在模型中加入相同尺寸的铝板散热器，不限定 其温度，只设定驱动电流为２０ｍＡ，与现实使用情 况相符。水平散热ＬＥＤ及垂直散热ＬＥＤ的热分布 分别如图６、图７所示。 图６ 水平散热结构ＬＥＤ热模拟温度分布图 表２ ＬＥＤ散热模拟温度数据 由图６、图７及表２可看出，垂直散热模式 ４８ 照明工程学报 ２０１１年１２月 垂．藩翳瓣糍黪凝 妻｛嚣ｍ 图７ 垂直散热结构ＬＥＤ热模拟温度分布图 ＬＥＤ的芯片温度、负极温度、温差、热阻等各项参 数均远小于水平散热灯珠，这表明垂直散热模式能 把积聚在内部芯片的热量及时散去。此模拟结果表 明了在不设定任何温度即更接近于客观事实的 情况下垂直散热模式具有更高散热效率的优势。墨 因一般３０１４ＬＥＤ在使用过程中一般多用２５ｍＡ 或者３０ｍＡ电流驱动，所以对２５ｍＡ驱动的 ３０１４ＬＥＤ进行了热模拟分析。模拟参数设置条件如 下：功率设为０．０７２Ｗ，固晶胶厚度设为０．０１１Ｔｉｍ， 正向电流ＩＦ设为２５ｍＡ，相同尺寸铝制散热器，不 限定温度。 此种情况的热分布分别如图８所示。表３为此 次热模拟分析的结果。与垂直散热ＬＥＤ在２０ｍＡ驱 动时散热情况相比，其芯片和负极的温度大幅度降 低，表明垂直散热ＬＥＤ在大电流驱动时突显出更优 的散热效果。 图８垂直散热结构ＬＥＤ热模拟温度分布图 表３垂直散热结构ＬＥＤ热模拟结果（２５ｍＡ ｌ 对比表２和表３即如表４所示，通过分析， ３０１４ＬＥＤ即使在２５ｍＡ驱动下，其芯片、负极温度、 温差与２０ｍＡ驱动的３５２８ＬＥＤ相当，而其热阻１３０ ｍｍ ｏＣ／ｗ远低于２０ｍＡ驱动的３５２８ＬＥＤ。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 。辩 瓣 （２０ｍＡ）的热模拟对比 一 ４封装试验测试对比 ４．１两种不同散热结构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、荧光粉）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。 ４．２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。 ８．Ｏ ７．８ ７．６ 三７．４ 器，． — —●一３５２８Ｌｖ 芸７：０ ——●一３Ｏ１４Ｌｖ ６．８ ６．６ １ ２ ３ ４ ５ ６７ ８ ９１０１１ １２１３１４ｌ５１６１７１８１９２０ ＬＥＤ个数 图９光通量比较图 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，且其相关色温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 所示，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 第２２卷第６期 ５０００ ４８００ 刘沛等：基于不同散热模式ＬＥＤ的光电热特性研究 ４９ 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。 ——●一３５２８ ＣＣＴ —＿卜＿３０１４ ＣＣＴ ４６００ ４４００ ｇ ４２００ ４０００ 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 ｌ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ １０ｌ１ １２ １３ １４１５ １６ １７ １８ １９ ２０ ＣＣＴ ｃｏｍｐａｒｅ ｏｆ３０１４ ａｎｄ ３５２８ 图１０色温比较图 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。 ４．３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。 １１０．ＯＯ ３０１４ｒ２０ｍＡ） １Ｏ５．０Ｏ 删 ３０１４ｒ２５ｍＡ） 嘲１００．００ ３０１４（３０ｍＡ） 呆 娶９５．００ ３８２８ｆ２０ｍａ） ３８２８（２５ｍＡ） ９０．ＯＯ ３８２８（３０ｍＡ） ８５．００ ０ ５ ｌ０ １５ ２０ ２５ ３０ ３５ ４Ｏ ４５ 时间（天数） 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３０ｍＡ，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 地将芯片性能衰减降至最低，从而保证了亮度的可 靠性。 ０．３８５０ ０．３８００ ０．３７５０ ３０１４（２０ｍＡ） ３０１４（２５ｍＡ） ０．３７００ ３０１４（３０ｍＡ） ０．３６５０ ３８２８（２０ｒｎＡ） ０．３６００ ３８２８（２５ｍＡ） ０．３５５０ ３８２８（３０ｍＡ） ０．３５００ ０，３４５０ ０ ５ １０ １５ ２０ ２５ ３０ ３５ ４０ ４５ 时间（天数） 图１２ ＣＩＥ—ｘ漂移图 ０．４０ｏ０ ０．３９５０ ０．３９００ ０．３８５０ ．３８ｏ０ Ｏ．３７５０ 兽０．３７００ ０．３６５０ ０．３６００ ０．３５５０ ０．３５００ ０ ５ １０ １５ ２０ ２５ ３Ｏ ３５ ４０ ４５ 时间（天数） 图１３ ＣＩＥ－Ｙ漂移图 图ｌ２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的平均值分别漂移一 ０．００２７、一０．００３３，而水平散热模式ＬＥＤ色坐标 ＣＩＥ—ｘ、ＣＩＥ—Ｙ的平均值分别漂移一０．０２１０、一 ０．０２４６，两者差距非常明显。色坐标漂移主要因素 是荧光粉性能老化，而过高的热量又是导致荧光粉 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 荧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。 ５０ 照明工程学报 ２０１１年ｌ２月 保证灯珠的性能稳定的同时，也提高了照明灯具整 ５ 结论 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。 本文从散热结构、光电参数、热学特性、光衰、 参考文献 色漂移及成本等方面对垂直散热和水平散热ＬＥＤ进 ［１］Ｄｒ ＥＩＣＨＨＯＲＮ Ｋ．ＬＥＤｓ ｉｎ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｌｉｇｈｔｉｎｇ［Ｊ］． 行了研究分析对比，结果表明垂直散热模式ＬＥＤ的 ＳＰＩＥ，２００６，６１３４：１—６． 光电热特性均远远优于水平散热模式ＬＥＤ。垂直散 ［２］Ａｒｉｋ Ｍ．ＢｅｃＫｅｒ Ｃ．Ｗｅａｖｅｒ Ｓ，ｅｔ ａ１．Ｔｈｅｒｍａｌ 热模式优异的散热特性，能将芯片产生的热量及时 ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ＬＥＤｓ：ｐａｃｋａｇｅ ｔｏ ｓｙｓｔｅｍ［Ｃ］．Ｐｒｏｃ．ｏｆ 导出，从而将芯片和荧光粉的性能衰减至最低，使 ＳＰＩＥ，２００４，５１８７：６４—７５． 得ＬＥＤ亮度高、散热快、光衰小及光色漂移小，在 简 讯 ◆国家发展和改革委员会（ＮＤＲＣ）／联合国开发计划署（ＵＮＤＰ）／全球环境基金（ＧＥＦ）共同发起的中国逐步淘汰自炽灯、加快推广节 能灯（ＰＩＬＥＳＬＡＭＰ）项目，２０１１年新的招标工作已经完成。中国照明学会承接“中国绿色照明战略研究”招标项目。此次招标涉及１６个分 包合同。商务部中国国际经济技术交流中心受国家发展和改革委员会资源节约和环境保护司的委托承办了此次招标活动。 ￣，２０１１年ｌ０月１３—１４日，北京照明学会与中国照明学会咨询工作委员会在北京联合举办了技术研讨会暨照踢设计师交流中心第一届年 会。会议以协作、发展、共荣为主题，针对国内外照明设计现状、行业发展趋势等方面内容进行了深入探讨。本次年会得到了行业人士的大 力支持和积极响应，参会人数达４００余人。中国照明学会理事长王锦燧、常务副理事长兼秘书长徐淮、副理事长邴树奎、副理事长戴德慈、中 国照明电器协会副秘书长窦林平、中国航空工业规划设计研究院任元会、北京照明学会顾问吴初瑜等出席了会议开幕式。 ０２０１１年１Ｏ月１４日，中国照明学会与广州仰光文化传播有限公司在广州举办“艺术灯光与城市发展”主题会议。会议就２０１１年广州国 际灯光节的组织与成果，规划与设计，灯光节对城市产业、文化、经济、旅游的推动作用进行深入研讨。１Ｏ月１５日晚，“２０１１年广州国际灯 光节”闭幕式在广州市海心沙举办，闭幕式后是著名歌唱家的特别演唱会。闭幕式前，在海心沙的贵宾室举行灯光节系列奖项的颁奖 仪式。中国照明学会理事长王锦燧、常务副理事长兼秘书长徐淮出席。 ０２０１１年１０月１７日，第三期“高级照明设计师培训班”在北京举办，中国照明学会理事长王锦燧参加了开班仪式并讲话，共有４７名来 自全国各地的照明设计专业人员参加本次培训，此外，８月２９日和１０月１０日在广州和上海分另ｎ举办了两期“照明设计师培训班”，共有７０ 人参加了培训。 ０２０１１年ｌ０月２４—２６日，中国计量科学院光学所、中国照明学会计量测试专业委员会、北京照明学会联合在京举办“光度计量和检测技 术”培训班在光学所举办，全国５０多名相关人员参加。中国计量科学院副院长房庆、中国照明学会常务副理事长兼秘书长徐淮出席开幕并讲话。 ０２０１１年１１月４日，国家在京举行“中国逐步淘汰白炽灯路线图新闻发布会。国家环资司副谢极、联合国开发计划署 代表白桦讲话，并答记者问。中国照明学会常务副理事长兼秘书长徐淮出席了会议。 ０２０１１年ｌ１月８～９日，“第８届中国国际半导体照明论坛”在广州国际会议中心举行。论坛由大会和专题会议组成，科技部、、 城乡建设部、广东省、广州市等部门相关领导参加。会议期间还举办了展览。中国照明学会常务副理事长兼秘书长徐淮、副秘书长刘世 平出席了会议。 ０２０１１年ｌ１月２６日中国照明学会图像技术专业委员会召开２０１１学术交流会。会议介绍了国际召开委员会（ＣＩＥ）第８分部即图像技术 分部研究的内容和进展情况，还就颜色科学及图像技术的研究热点、颜色科学在印刷领域的应用、高动态范围成像技术、跨媒体对立色色差 等研究进行了交流。会议在北京理工大学举行，有专家、学者专业委员会成员及部分师生参加。北京理工大学光电学院院长魏平、中国照明 学会常务副理事长兼秘书长徐淮出席并讲话。交流会后召开了专业委员会会议，讨论了有关组织、学术活动和参与ＣＩＥ活动的有关问题。会 议由专业委员会主任黄庆梅主持。 ０２０１１年１１月３０日至１２月１日，中国轻工业联合会在京召开贯彻十七届六中全会精神。中国照明学会副理事长兼秘书长徐淮参加。 ０２０１１年１２月５日，由中国照明学会指导、九州光谷协办、中国照明网主办的２０１１年中国室内照明应用现状辩论会在广东中山皇冠假 日酒店隆重举行。此次辩论会吸引了业内多位专家学者、华南知名设计院代表、企业厂家代表、照明设计师代表等，将近４００人参与了本次辩 论会。中国照明学会常务副理事长兼秘书长徐淮等出席了本场辩论会。 辩论会专家阵容强大，中国建筑科学研究院建筑物理研究所赵建平副院长担任本场辩论会主持，北京市建筑设计研究院电气副总工程师 汪猛担任总论。 辩论会上。赵建平副院长简单的阐述了现阶段我国ＬＥＤ室内照明的应用现状，并指出了本场辩论会的七个主要讨论议题：它们分别是： １、目前ＬＥＤ用于室内照明真的成熟了吗？２、目前ＬＥＤ应用于室内真的比紧凑型荧光灯节能吗？３、目前ＬＥＤ的性能真的完全可以取代Ｔ５、 灯管？４、目前评价传统光源显色指数Ｒａ的方法真的不适合评价ＬＥＤ吗？５、目前评价传统照明效果的指标真的不适合ＬＥＤ照明吗？６、 ＬＥＤ用于中、小学一般照明真的没问题吗？７、ＬＥＤ室内照明如何突破市场瓶颈？ 最后，主持人赵建平副院长提到，针对室内照明应用现状的辩论重点不是争输赢，而是在于业内人士的理性思考和回归，ＬＥＤ作为新光 源，我们该如此思考它未来的性能发展、应用以及推广问题。或许，我们可以利用ＬＥＤ的特点进行部分建筑化的照明，施行简单容易的照明 方式，从照明的设计角度上来讲，我们还需要一个探索的过程。
