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HV芯片+Ceramic基板+COB封装:室内照明灯具最佳解决方案

2017-05-16 [责任编辑:wenwei]
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【导读】LED照明灯具技术为一种系统整合的概念(光、机、电、热),其系统中心为LED光源,LED光源的技术目标是为了提供更好的发光效率,更低的热阻,更佳的光谱特性,如演色性及相关色温等。
 
以光源为主体可将LED照明灯具展开4项技术的整合,分别为光学、电控、散热与机构,光学技术的目的是为照明灯具设计符合需求的灯具光型,透过光学分析及仿真并且利用光学组件将光源的光型转换为灯具需求的光型;电控则可大致分为电源驱动及控制系统,电源驱动目的是为将外部电源转换为LED所需求的电压或电流,控制系统就是让灯具结合传输及数字化操作,赋予灯具生命;由于LED光源在发光的同时也产生大量的废热,散热结构设计使LED灯具与光源保持适当的温升,以避免减低效能及寿命;由于LED灯源体积小,使用变化大,因此机构设计可以让LED灯具有别于传统荧光灯或HID灯具,展现更多样化的连接方式,因此LED照明灯具不论是取代式灯泡或者是新一代的LED照明模块,皆为上述技术的整合。
 
根据J.P. Morgan 2010的研究亦显示,2015LED灯泡在全球照明市场的渗透率可达40%,约近40亿颗的销售量;并预计在2018年前达到75%的渗透率。「现在市场上已有不少供货商开始生产制造各种不同类型的LED灯泡,以便供消费者进行选择。」目前由于一个光通量等同40W、470lm白炽灯泡的LED灯泡市场价格约20美元,60W、800lm白炽灯泡的LED灯泡其市场价格更是高达每个40美元,由于价格因素使得一般民众对LED灯泡的接受度仍不高。
 
依据SSL制造成本的分析数据显示,只是Thermal and Metal Bending、Driver/Power Supply、LED Back-End Process这3项与散热及驱动装置相关的零组件,就占去一个LED灯泡高达80%的成本;而其余的Luminaire Optics、Luminaire Assembly、Phospor…等项目,其总和则不到成本的20%。至于实际与LED相关的零组件,更是占不到5%的比例。
 
HV 芯片+ Ceramic 基板 + COB 封装:室内照明灯具最佳解决方案
 
以往LED照明业者老是强力要求LED产品供货商降低供货售价,根本就是搞错方向,对于LED灯泡价格的改善是于事无补。如何思索新的设计模型,以便在兼顾效能与成本的需求下,发掘出最合理的LED灯泡新BOM表,才是值得业者投入的方向。 
 
而这当中又以LED产生热量的处理方式最为重要。若未能有效解决散热问题,就会提高接面甚至是整体芯片之温度,芯片的高温会导致LED造成下列的影响:
 
1. 降低发光效率:不同的温度下,发光效率对温度的关系图如下图,发光的效率会随着温度的提升而减少。
 
HV 芯片+ Ceramic 基板 + COB 封装:室内照明灯具最佳解决方案
 
2. LED芯片的损坏:一般设计发光二极管的工作温度不超过120℃,若在超过芯片可承受之高温下运作,则会造成芯片的失效及损坏。 
 
3. LED之寿命衰退:承接着第2点,在高温之下点亮的LED其使用寿命也随之减少。 
 
4. 中心波长偏移:随着芯片温度的提升,中心波长会有所偏移,而此偏移现象会造成LED的色彩变化。 
 
5. 封装材材料化:用于LED的封装材料多为高分子材料,若持续在高温下作用,会使封装的材料脆化及劣化。
 
二、 HV LED简介
 
随着发光二极管的制程技术以及效率的不断提升,为了配合市场的发展需求,朝着更大功率及更高亮度来发展,也就是说高功率的LED已经成为趋势。HV LED不仅能将家用交流电源透过外接全波整流器来驱动,也可以利用直流电来驱动,应用的范围相当的弹性。而高压发光二极管的芯片的发光效率比一般在正负半周转换的AC LED要高。
 
HV 芯片+ Ceramic 基板 + COB 封装:室内照明灯具最佳解决方案
 
也因为HV LED高电压的特性,使得在相同电功率输入时,相对于传统的DC LED芯片结构而言,可降低流过HV LED每块微晶粒之电流,也因为HV LED小电流、多微晶粒的设计,因此可提高电流分布的均匀性。HV LED单元间的互联是利用基板上的布线完成的,封装制程简单,封装成本相对低廉,因此高压低电流的设计产生更佳的发光效率。
 
相比低压LED,高压LED有两大明显竞争优势:
 
第一,在同样输出功率下,高压LED所需的驱动电流大大低于低压LED。
 
第二,高压LED可以大幅降低AC-DC转换效率损失。
 
HV 芯片+ Ceramic 基板 + COB 封装:室内照明灯具最佳解决方案
 
三、 HV芯片+Ceramic基板+COB封装
 
随着LED朝着高功率方向的发展,导热、散热相关问题的解决也势在必行,而解决此类问题的途径也相当多元化。针对大功率LED照明的散热技术,采用陶瓷基板。由于具有与半导体有接近的热膨胀系数与较高的耐热能力,能有效地解决热歪斜及高温工艺问题。陶瓷基板特性如下:
 
1.可用于PKG数组封装。
 
2.可用于高电压、高温度的制程并与LED有良好的热膨胀匹配系数。
 
3.厚度薄、尺寸小散热性佳。
 
4.工作温度非常高,可适用高功率LED使用。
 
5.寿命长、可抗腐蚀、耐高温、物理特性稳定。
 
在COB封装中,由于散热路径较短,LED芯片由工作中产生的热能可以有效传递至散热片,因为具有这样的特性,COB封装可以比传统离散式组件封装维持更低的LED芯片接面温度。LED接面温度在LED寿命与效能表现扮演相当关键的角色,较低的接面温度由于劣化程度较低,因此寿命较长,此外,LED在温度较低时,每单位功率输入的光输出也较高。简单来说,COB封装可让终端使用者以更少的温度管理需求或更低的系统成本,得到比传统离散式组件封装更好的效能产品。
HV 芯片+ Ceramic 基板 + COB 封装:室内照明灯具最佳解决方案
 
四、 结论:
 
长久以来,LED的散热问题是影响其发光效率的关键,因此成为照明业者努力改善的重点课题。其中,封装技术对于LED的散热效能扮演着相当重要的角色,尤其是因应照明应用的需要,高功率LED的封装技术的发展动向亦引发关注,现在COB型LED陶瓷基板具有比支架低的热阻系数,是最适合高瓦数LED的封装结构。
 
随着LED芯片发光效率的提升,未来照明势必以成本及可靠度为第一考虑因素。因此Stately综元光源采用的HV 芯片+Ceramic基板+COB封装是目前室内照明系统光、机、电、热提最佳的解决方案。
 
 
 
 
 
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关键字:LED HV 芯片 Ceramic 基板 COB 封装 解决方案 
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