高亮度發(fā)光二極管(LED)以其耗電量小、壽命長(cháng)、響應速度快、無(wú)頻閃、體積小、無(wú)污染、易集成化等特點(diǎn)，正在成為傳統照明產(chǎn)業(yè)升級換代的新一代光源。在節能減排、保護環(huán)境日益受到關(guān)注的今天，半導體照明更是在PCBA加工中成為新的經(jīng)濟增長(cháng)點(diǎn)，因而受到世界各國政府、科技界與產(chǎn)業(yè)界的高度重視。迄今，美、日、歐、中國大陸及中國臺灣等均已推出各自的半導體照明計劃，大功率LED照明產(chǎn)業(yè)已成為最受矚目的產(chǎn)業(yè)之一。
值得注意的是，迄今上游外延芯片技術(shù)已基本成熟和定型，價(jià)廉物美的LED芯片已能夠滿(mǎn)足照明的需求，現在定價(jià)權正向中游封裝和下游應用終端市場(chǎng)轉移和發(fā)展。這意味著(zhù)誰(shuí)能將芯片應用好、制造出長(cháng)壽命、高功效的大功率LED照明產(chǎn)品，誰(shuí)就有可能成為L(cháng)ED產(chǎn)業(yè)的最終贏(yíng)家。大功率LED照明封裝和應用方面的問(wèn)題隨之凸顯出來(lái)，其中最為關(guān)鍵的就是如何解決大功率LED照明的散熱難題，這不僅是結構設計和工程應用等方面的技術(shù)問(wèn)題，而且還涉及熱管理模式和流體力學(xué)等科學(xué)問(wèn)題。與現有“芯片一鋁基板一散熱三層結構”大功率LED系列照明技術(shù)完全不同，我們研制的“芯片一散熱一體化(二層結構)集成式大功率LED照明系列燈具”，在技術(shù)路線(xiàn)方面可能具有革命性和顛覆性的意義，將成為大功率LED照明產(chǎn)業(yè)一個(gè)新的發(fā)展方向。

1 、大功率LED照明產(chǎn)品現狀
目前，LED的發(fā)光效率能使約30% 的電能轉換成光，其余70% 的電能幾乎都轉換成熱能，使LED的溫度升高。小功率LED由于其發(fā)熱量非常小，基本上不用采取散熱措施就能被很好地應用，例如儀表燈、信號燈、小尺寸液晶屏幕背光源等。但對于大功率LED，當應用于商業(yè)建筑、道路、隧道、工礦等照明領(lǐng)域時(shí)，其散熱就是個(gè)大問(wèn)題了。如果LED芯片的熱量不能散出去，會(huì )加速芯片的老化、光衰、色偏移、縮短LED的壽命。因此，大功率LED照明系統的結構模式和熱管理設計十分重要。
現在市場(chǎng)上所有大功率LED照明燈具均采用“芯片一鋁基板一散熱器三層結構模式”，即先將芯片封裝在鋁基板上形成LED光源模塊，然后將光源模塊安置在散熱器上制造成大功率LED照明燈具。
應該指出的是，目前大功率LED的熱管理系統仍沿用LED早期用于指示燈和顯示燈的方式，屬于小功率LED的熱管理模式。采用“芯片一鋁基板一散熱器三層結構模式”制備大功率LED照明，在系統結構方面存在明顯不合理的地方，如結構之間接觸熱阻多、結溫高、散熱效率低，所以芯片釋放出來(lái)的熱不能有效地導出和散出，導致LED照明燈具光效低、光衰大、壽命短，不能滿(mǎn)足照明需求。
如何提高封裝散熱能力是現階段大功率LED亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。LED照明產(chǎn)品的發(fā)展方向和重點(diǎn)是：高功率、低熱阻、高出光、低光衰、體積小、重量輕，因而使得對LED的散熱效率要求越來(lái)越高。
但是由于受結構、成本和功耗等諸多因素的限制，大功率LED照明難以采用主動(dòng)散熱機制，而只能采用被動(dòng)式散熱機制，但被動(dòng)式散熱具有較大的局限性;而且 LED的能量轉換效率較低，目前仍然約有70%轉換為熱，即使光效再提高1倍也還有40% 的能量轉化為熱。也就是說(shuō)，很難提高到不用考慮散熱的程度，所以從長(cháng)遠看，大功率LED照明的散熱問(wèn)題將是一個(gè)長(cháng)期存在的問(wèn)題。
現在大功率LED應用于照明的時(shí)機已經(jīng)成熟，研制高效的自然散熱的熱管理系統，已成為大功率LED照明實(shí)現產(chǎn)業(yè)化的先決條件和關(guān)鍵因素。因此，需要新的技術(shù)路線(xiàn)及系統結構來(lái)徹底解決大功率LED照明散熱問(wèn)題。

2 、大功率LED照明產(chǎn)業(yè)新的技術(shù)路線(xiàn)
針對現有大功率LED照明散熱技術(shù)存在多熱阻、散熱能力低的問(wèn)題，我們試圖通過(guò)“芯片一散熱一體化(二層結構)模式”解決大功率LED照明光效低、光衰嚴重、成本高等系列問(wèn)題。
2.1 技術(shù)路線(xiàn)
“芯片一散熱一體化(二層結構)模式”，不僅去除了鋁基板結構，而且還將多個(gè)芯片集中直接安置在散熱體上，組成多芯片模組單光源，制備成集成式大功率LED燈具，光源為單顆，呈面光源或集束式光源。
2.2 技術(shù)關(guān)鍵
如何增強對芯片的導熱能力，減少熱阻界面層，涉及到熱管理系統結構模式、流體力學(xué)以及超熱導材料工程應用等問(wèn)題;如何有效控制散熱基體的熱儲量，規劃對流散熱路徑，建立高效自然對流散熱體系，主要從燈具結構設計著(zhù)手。
2.3 技術(shù)方案
通過(guò)改變LED光源封裝結構、散熱結構和燈具結構模式，來(lái)減少熱阻層;應用超熱導材料，增加芯片熱源的導熱性能;基于“芯片一散熱一體化二層結構”優(yōu)化熱管理系統，增加空氣的流動(dòng)，形成自然對流散熱。
2.4 設計思路
采取模組化方式制備高功率LED燈具。將光源、散熱、外形結構等封裝成一個(gè)整體模組，而模組之間又相互獨立，任何一個(gè)模組都能被單獨更換，當一個(gè)部分發(fā)生故障時(shí)，只需更換故障模組，而無(wú)須更換其他模組或整體更換就能繼續正常工作。燈具的所有模組部分都能徒手拆裝，實(shí)現方便、快捷、低成本的維護。
2.5 設計要點(diǎn)
對系統模組化，除了滿(mǎn)足燈具的散熱、更換要求外，還必須滿(mǎn)足LED照明燈具的光學(xué)(光學(xué)效率)需求、造型(市場(chǎng))需求。
3 、芯片一散熱一體化結構簡(jiǎn)介
“芯片一散熱一體化(二層結構)模式”是一種新型的LED光源封裝模式、結構模式和熱管理系統模式。利用該技術(shù)模式制備出的大功率LED照明燈具，不僅徹底解決了散熱問(wèn)題，而且還有效地解決了諸如在配光、光效、壽命和維護等方面的問(wèn)題，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出長(cháng)壽命、高光效的大功率LED系列產(chǎn)品，如路燈、筒燈、隧道燈,工礦燈、汽車(chē)前大燈、景觀(guān)燈等照明設備。

3.1 技術(shù)特點(diǎn)
3.1.1 將芯片和鋁合金+超熱導材料復合基體(散熱器)連接為一體，應用獨特的大功率LED封裝技術(shù)，將多個(gè)芯片集中直接封裝在散熱基體上，使芯片與散熱基體之間的熱阻更小，整個(gè)散熱基體就是一個(gè)完整的燈具，形成集成式大功率LED照明部件。
3.1.2 基于仿生學(xué)原理設計熱管理系統，建立了芯片一散熱一體化二層結構熱阻模型，對其進(jìn)行了結溫計算和壽命預測。
芯片一散熱一體化二層結構的特點(diǎn)是熱源芯片直接封裝在散熱器上，隨著(zhù)發(fā)熱源的溫度升高，空氣在多孔狀散熱器中發(fā)生流動(dòng)，多孔為空氣對流提供了流動(dòng)通道，熱被自動(dòng)散發(fā)出來(lái)，確保芯片在安全使用溫度范圍內正常工作。先進(jìn)的導熱和熱對流系統確保良好的散熱效果，進(jìn)一步提高了芯片的發(fā)光效率。
3.1.3 將芯片(45mil×45mi1)進(jìn)行集成式封裝(芯片集中在一個(gè)小區域)，得到光效較高的面光源，具有光通量密度高、總光通量高、低眩光的特點(diǎn)。
目前，運用上述技術(shù)已制備出了“芯片一散熱一體化(二層結構)模式”大功率LED照明燈具，如路燈、隧道燈、筒燈、射燈等。此外，目前大功率LED汽車(chē)前大燈均需要電風(fēng)扇加強散熱，難于滿(mǎn)足市場(chǎng)化應用需求，利用二層結構制成的集束式大功率LED汽車(chē)前大燈，解決了目前汽車(chē)燈行業(yè)采用LED光源制造汽車(chē)前大燈的局限性
3.2 產(chǎn)品技術(shù)指標及優(yōu)勢
(1)高效散熱：采用自然散熱方式，徹底解決大功率LED散熱難題(溫差<4℃ ，散熱器溫度<60℃，在環(huán)境溫度>35℃ 的條件下實(shí)測);
(2)大電流：供給芯片的額定電流每顆為400— 450mA;
(3)高光效：整燈光效達到了90.9 lm/W;
(4)長(cháng)壽命：>50 000h;
(5)光衰?。簢覠艟哔|(zhì)量監督檢驗中心檢測結果為：1 000h壽命測試無(wú)光衰;
(6)集成式：該集成式為COR (Chip On　Radiator)，即芯片集成直接粘接在散熱器上，與集成粘接在鋁基板上的COB(Chip On Board)集成式完全不同。集成芯片為單顆，呈面光源、單光源或集束式
光源(安裝玻璃透鏡)射出;
(7)照明效果與傳統的非LED光源一樣，不改變人類(lèi)的用光習慣;
(8)結構簡(jiǎn)單：便于維護，無(wú)需整體更換。
4 、大功率LED照明產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展方向
目前，對于大功率LED照明產(chǎn)業(yè)的技術(shù)路線(xiàn)，我們認為有兩條路可選擇：一條路是繼續沿著(zhù)“芯片一鋁基板一散熱器(三層結構)模式”技術(shù)路線(xiàn)發(fā)展;另一條路是開(kāi)拓“芯片一散熱一體化(二層結構)模式”技術(shù)路線(xiàn)?！靶酒簧嵋惑w化結構”是一種新興技術(shù)，在這種結構中，除芯片外，其他均為全新的內容，包括芯片一散熱一體化、封裝、電源、成套裝備、檢測、甚至標準等，它使得大功率LED照明產(chǎn)品在壽命、光效、品質(zhì)、設計、可控性、成本等方面相對“芯片一鋁基板一散熱器三層結構模式”有明顯的優(yōu)勢，是中國在大功率高效半導體固態(tài)照明研究、應用和產(chǎn)業(yè)化方面可以大有作為的一個(gè)新領(lǐng)域。