LED模组化——LED发展新趋势

    照明是人类基本需求，照明也代表经济活动的高低。近年来由于全球经济增长，持续的城市化，非市区电力网的扩大建设等因素，带动了一般建筑物与制造业建厂增加，都使得照明需求快速增长，耗用能源也持续增长。 LED作为一种全新的光源，正越来越多地被融入到人们的生活当中，它的发展脱离不了人们对照明的需求。相比于传统光源（比如荧光灯和白炽灯），LED在接近于理论转换效率时，要比传统光源的光效高出5-20倍。即使是现阶段的量产光效，其水平也在2-15倍之间，同时结合到其指向性的优点，此差距将会更大。由于发光原理的改变，其寿命也会比传统光源高出很多。此外，由于LED还具备对健康和环境无危害等一系列的优点，其在现阶段已被公认为是下一代最为合适的光源。然而，LED照明灯具至今不能被大量推广应用，不能进入千家万户，其主要原因是LED 照明灯具价格居高不下，如何降低LED照明灯具的价格，市场和经验告诉我们---LED模组化。

    LED模组化发展模式：（1）光源模组化，（2）器件+PCB板集成化，（3）光源和电源集成化，（4）光源，电源，散热，光学集成化，（5）连接端口，底座标准化。

    作为LED垂直整合企业，真明丽集团独创LMDM照明整合服务计划，为客户提供客制化的照明解决方案，并在各个产品的开发阶段协助客户解决光，热，电，机等四个关键上的技术困难。

    本文主要从LED光源模组，标准接口，散热设计等方面予以阐述。

    一.光源模组
    此项包括COB和光源器件+PCB两种模式。见下图。

    一.光源模组
    此项包括COB和光源器件+PCB两种模式。见下图。

    1.COB封装
    COB封装即chip On board，就是将裸芯片用导电或非导电胶粘附在互连基板上，然后进行引线键合实现其电连接（覆晶方式无需引线键合），即LED芯片和基板集成技术。
针对COB封装目前可分为两大类：（1）低热阻封装工艺；（2）高可靠性封装工艺。
    （1）低热阻封装工艺
    低热阻COB封装目前分为铝基板COB，铜基板COB，陶瓷基板COB。

    铝基板COB由于其基板的低成本，所以封装出来的COB光源具有超高的性价比，另外，光效最高可做到130LM/W,基于以上等优点广泛应用与LED球泡灯，LED筒灯等灯具上，但是由于铝基板导热系数的限制（目前常规基板导热系数在1-2W/m.K），适宜做5-10W COB光源。

    铜基板COB，由于芯片直接固定在铜上面，铜的导热系数在380W/m.K，导热效果好，可以封装20-50W的COB，另外光效可达130LM/W，目前广泛应用与LED投射灯，LED路灯等灯具上，但是为防止局部过热，一般封装20-50W左右COB光源。

    陶瓷基板COB，陶瓷目前是公认最适合做LED封装基板的材料，以其优良的导热性能，优良的绝缘性能，热形变小等优点广泛应用与高档次，高可靠性LED灯具中，目前可封装10-50W COB光源，但是由于其基板价格较贵，一般用于高端LED照明和高可靠性要求的照明领域。

    （2）高可靠性封装工艺
    目前针对一些特殊场合的照明，对LED灯具的可靠性要求特别高，比如说LED路灯，LED隧道灯，LED防爆灯，LED矿灯等，由此对LED光源的可靠性要求也非常高。

    作为LED封装影响可靠性的前三大影响（热影响、静电影响、湿气影响）之一的热影响，是造成LED衰减的一个重要原因。以LED芯片适用的Arrhenius模型来看，LED的结温每增加10℃，LED自身的寿命将随之减少1半。

    P=P0exp（-βt）
    P0-初始光功率，β-衰减系数，t-LED老化时间
    β=β0Ifexp（-Ea/kTj）
    β0-常数，k-波尔兹曼常数，Tj-芯片的节温，Ea-活化能
    由于陶瓷基板具有很高的导热系数和绝缘性能，可解决热影响和静电影响，另外陶瓷基板和硅胶具有很好的结合性能，可解决湿气影响，另外采用覆晶工艺除去金线进一步大幅度的提高了整个光源组件的可靠性，采用COB封装提高了光源组件的性价比，因此，采用陶瓷基板COB外加覆晶工艺可满足高要求的LED应用领域。

    ２.光源器件+PCB
    光源器件+PCB形成的光源模组，旨在推进光源模组标准化，方便LED灯具制造厂商制造流程。

    以上仅以3014和5630加以说明，还有仿流明，陶瓷3535，3528等光源器件+PCB的模式，应用与LED射灯，LED路灯，LED日光灯管，LED球泡灯，LED筒灯等，极大地方便LED灯具制造商。

    由以上可以看出采用COB光源有着诸多的好处，低热阻，高可靠性，高性价比，是LED照明普及的必经之路。另外，LED器件+PCB的模式极大地方便了LED灯具制造厂商，简化了作业流程，标准化更进一步。

    二．标准接口
    目前LED照明灯具蓬勃发展，特别是室内LED灯具几乎每天都有新的公司加入，新的灯具诞生。故LED室内灯具市场是五花八门，各行其道，这样一来给室内LED灯具的标准化生产及推广带来了很大的不便。为此，LED接口标准化势在必行。在此主要介绍为光源产品提供标准接口。
光源组件标准接口包括：（1）COB标准接口；（2）光源器件+PCB标准接口。
    （1） COB标准接口
    在此以陶瓷COB为例加以说明。目前在实际使用的陶瓷COB产品中，由于陶瓷基板具有很好的导热性能，在实际焊线过程中较为困难；另一方面，由于陶瓷具有易碎的特性，因此，为陶瓷COB开发一款集压紧与引出导线的灯座为首选。

灯座图片

COB+灯座+散热器图片

    通过加灯座，一方面起到固定陶瓷COB的作用，另一方面起到电气连接的作用。

    （2） 光源器件+PCB标准接口
    在PCB板上加上连接器，这样以来省去了手工焊接，缩短了安装时间，另外维护更简单。

    三．散热设计
    目前LED功率约70%-80%转换成热的形式，因此，LED应用散热设计,如何将LED组件温度降到最低，一直都是应用端需考虑的重点项目。
    对于LED而言，选择适合的操作环境，并快速地将LED点亮后产生的热量导出可维持LED原有的寿命和性能，其导热途径主要为以下四项：
    （1） 由发热体（LED组件）至散热器；
    （2） 散热器热传导；
    （3） 通过对流将热散逸到空气中；
    （4） 透过表面热辐射将热移除；

    路径（1）：LED组件和散热器的接触面并非完美平整光滑，无法完全贴合，若无完全接触，会因间隙中空气的高热阻，导致传热效果下降。因此要快速将LED组件的热导出，其一关键结构在LED与散热器之间能否紧密的结合。简单有效的做法，建议在LED组件与散热器的接触表面，均匀涂布适量的导热膏以填补接触面之间的间隙，并利用螺丝加强二者之间的附着力，加强导热效果。

    路径（2）：散热器本身会根据时间的不同，于不同的位置造成温度差。其总导热量为（Q），即某段时间内散热机构所可以导出的总热量，是由
    （1） 发热体与散热器两端的温）差（△T = Tj-Th ）；
    （2） 散热器的导热系数（K）；
    （3） 热传总面积（A）；
    （4） 热传的直线距离（L）；

    所组成的。其散热公式为：

在LED散热设计时，Tj有最高限制，由提高散热系数，增加散热面积（鳍片数量），或缩短热传的直线距离，皆可提高散热机构单位时间的导热量。其中金属材料的高导热性和高性价比为首要选择。

    路径（3）：热散逸机制包含热对流与热辐射。无论对流或者辐射，其成效与散热器的表面积皆成正比关系，若散热器的总表面积越大，则散热效果越佳。散热鳍片越多，可增加总表面积；但在限制的体积内，设计过多数量的鳍片，反而抑制了对流的效果。现在有许多热设计，利用外部风扇强制对流，达到将热强制移除的效果，但此设计牵制到噪音，电路等限制问题，在此不多加赘述。

    路径（4）；相对于未处理的散热器，在散热器表面覆盖一层高辐射率材料（辐射率与等于1），如陶瓷或深色皮膜等，加强表面热辐射效果。一般常见的表面阳极处理，或表面蚀刻，都是提高热辐射能力的方法。

    散热器设计重点：
    （1） LED组件和散热器之间的紧密度及接触面的平整度；
    （2） 散热器总表面积；
    （3） 散热器材质选择；
    （4） 鳍片数量优化（气体流动设计）

    四.结束语
    LED封装是一个涉及到多学科(如光学、热学、机械、电学、力学、材料、半导体等)的研究课题。从某种角度而言，LED封装不仅是一门制造技术，而且也是一门基础科学，良好的封装需要对热学、光学、材料和工艺力学等物理本质的理解和应用。LED封装设计应与晶片设计同时进行，并且需要对光、热、电、结构等性能统一考虑，将众多器件集成化，形成LED模组，推进LED照明更好更快发展。