浙江工贸职业技术学院 李庆海

目前大功率LED正处于大力推广应用阶段，在《“十二五”节能减排综合性工作方案》中，半导体照明已被列入即将重点推进的节能减排技术产业化示范项目范畴。LED的优越性能使其应用范围非常广泛，特别是大功率LED照明器的出现，使得LED的应用市场更具规模。LED主要应用在背光源、显示屏、汽车照明、景观装饰、信号指示灯、通用照明市场等相关领域。其中通用照明市场，随着大功率LED的出现，大功率LED开始广泛用于特殊用途的专用照明系统。在照明市场，目前大功率LED仍面临着发光效率低、散热不好、成本过高等问题。目前应用主要在路灯、隧道灯、酒店、高档写字楼等对价格不是很敏感的场合。从长远看如果大功率LED的生产规模进一步扩大，成本进一步降低，其节能和长寿命的优势足以弥补价格偏高的劣势，到时LED将成为一种最有竞争力的新型光源，且市场潜力将是巨大的。

一、独特的大功率LED灯具的结构与工艺改进

1.大功率LED灯具采用SMT自动贴片回流焊接的方式生产，使用FPC组装线路板用LED贴片机进行组装，透镜封装材料采用耐高温的复合硅胶材料。在LED灯具组装过程中采用自动化改进装配工艺，自动化装配机械对大功率LED灯珠进行脚位加工，对灯杯进行检测次品报警等相关功能。自动化装配机械架较宽的LED灯具进行特殊加工处理。固晶采用自动固晶机械对产品进行注银胶在自动扩晶处理，经过自动机械手进行取晶、注银胶、灯杯的操作。

2.自动焊线机对大功率LED晶片的引出线焊线，焊线采用导电性能好99.99%金丝作为连接线连接引脚。焊线完成后进行拉力测试与推力测试，对测试的次品在对晶片补线、补晶、塌线、倒线等情况进行手动焊接。封装透镜采用LED的造型模具以及具有高导热材料进行封装。对仿流明杯与透镜固定在进入LED盖透镜机进行压盖与压边的操作，压边采用180度高温扣压3秒处理封装透镜。

二、大功率LED灯具的一次配光与二次配光研发

研发大功率LED模组发光机理及点面光源转换方式的特点，本项目研发一次配光是在大功率LED芯片上封装硅胶透镜，模组透镜的底面上设有杯罩，模组透镜呈倒梯形安装于基板上，且其梯形角度按照设定角度固定封装。通过透镜作用使点光源变为面光源，增大单个LED面光源出射光的角度，同时也增大LED 面光源的照射面，也提高了LED面光源的出光均匀度。二次配光是平面排列的 LED光源采用横纵方向非对称形状配光的透镜设计，通过调整二次配光弧面的曲率与LED面光源的间距的组合设计。LED光源配光结构结构如图1所示。

通过研究大功率LED模组发光机理及点面光源转换方式的特点，将一次配光装置的一次配光与二次配光装置的二次配光相配合，其中一次配光装置是在大功率LED芯片（第一组LED芯片）上封装硅胶透镜（第一透镜），每对第一LED芯片和第一透镜构成一个模组，每个模组在透镜底部处设置有杯罩，使模组呈倒梯形安装于基板上，且其梯形角度θ按照设定角度固定封装，该角度θ的设置结合透镜作用，可使点光源变为面光源，增大单个LED面光源出射光的角度，同时也增大LED 面光源的照射面，也提高了LED面光源的出光均匀度；二次配光装置的第二组LED芯片和第二透镜则采用平面排列的方式，将第二组LED芯片和第二透镜构成 LED光源，LED光源在基板的横纵方向上呈非对称形状安装，通过调整二次配光弧面的曲率与LED面光源的间距的组合设计，再次调整出光的均匀性。

图1 LED光源配光结构示意图

通过研究大功率LED模组发光机理及点面光源转换方式的特点，将一次配光装置2的一次配光与二次配光装置3的二次配光相配合，其中一次配光装置2是在大功率第一组LED芯片6上封装第一透镜7（硅胶透镜），每对第一LED芯片6和第一透镜7构成一个模组，每个模组在第一透镜7底部处设置有杯罩10，使模组呈倒梯形安装于基板1上，且其梯形角度θ按照设定角度固定封装，该角度θ的设置结合第一透镜作用，可使点光源变为面光源，增大单个LED面光源出射光的角度，同时也增大LED面光源的照射面，也提高了LED面光源的出光均匀度；二次配光装置3的第二组LED芯片8和第二透镜9则采用平面排列的方式，将第二组LED芯片8和第二透镜9构成 LED光源，LED光源在基板1的横纵方向上呈非对称形状安装，通过调整二次配光弧面5的曲率与LED面光源的间距的组合设计，再次调整出光的均匀性。通过一次配光装置2与二次配光装置3的配合使用，通过各反射界面和折射界面的形状，重新分配光源发出的光线，既有利于出光度、光通量、光强大小、出光角度的调整，进而确保出光均匀性，又有助于提高LED光源的光能利用效率。大功率LED灯具的配光设计特点是通过对LED光源的一次配光装置与二次配光装置的配合使用，通过各反射界面和折射界面的形状，重新分配光源发出的光线，既有利于出光度、光通量、光强大小、出光角度的调整，进而确保出光均匀性，又有助于提高LED光源的光能利用效率。

三、研发大功率LED灯具的散热冷却装置的研发

对于大功率LED芯片在生产工艺阶段就要对LED芯片内部和封装的热设计，为确保大功率LED发光器件正常可靠的工作，需要配置合适的外部散热器，通过散热器确保LED结温在安全结温之内且能长期正常地可靠工作。本项目采用液态金属冷却系统的研发应满足LED芯片最高允许的工作温度和功耗；满足LED芯片使用对冷却系统的限制要求；散热设计应符合与其有关的标准、规范规定的要求。大功率LED灯具的主要热性能参数为结温和热阻，LED封装材料的热阻较大，散热能力有限，还要通过芯片内部热沉向外传递热量，散热冷却系统在封装结构上采用大面积芯片倒装结构、金属线路板结构、导热槽结构、微流阵列结构等；材料选取合适基板材料和粘贴材料，用硅树脂代替环氧树脂，采用新型导热涂层散热材料来解决导热问题。大功率LED灯具散热冷却装置在LED灯具的封装后面加装温度传感器进行检测LED表面温度；大功率LED灯具的散热装置由有散热片、风扇、电磁泵、连接管、主散热器、散热器、热管、均温板、辐射涂覆层、导热膏、导热垫片组成：本项目采用液态金属冷却系统如图2所示。

图2 液态金属冷却系统图

散热装置主要由强制冷却装置、散热器和回路管的回流循环来进行散热，而这几种散热方式的更换是控制器根据LED灯具的温度来控制的。大功率LED灯具的散热装置结构包括控制器、传感器7、第一组散热器2和强制冷却装置6，传感器7安装于LED灯具的灯罩1处，控制器一端通过传感器7连接到LED灯具的灯罩1表面，另一端则分别与散热器2和强制冷却装置6连接，控制器用于控制散热器与强制冷却装置6的通断。散热器安装于LED灯具的灯罩1顶部，散热器由若干根阵列排布的第一级肋片21构成，第一级肋片21为多片组合而成，散热器通过肋片进行对流散热，而回流管3则进行对流散热；强制冷却装置6为风扇，风扇设置于散热器上方。

散热装置中控制器通过灯罩的温度区间来控制散热器和强制冷却装置6的工作状态：当LED表面温度在40℃以下时，控制器开启散热器，由自然对流散热方式散热；LED表面温度40-50℃之间时，控制器启动风扇，对LED灯具进行强制风冷循环散热；当LED表面温度50-60℃时，控制器启动回路管3进行循环散热；当LED表面温度60℃以上且工作时间超过规定时间，LED的控制器自动减小20%的用电负荷，自动调节LED的亮度。

四、总结

通过研究大功率LED模组发光机理及点面光源转换方式的特点，本项目研发一次配光是在大功率LED芯片上封装硅胶透镜，模组透镜的底面上设有杯罩，模组透镜呈倒梯形安装于基板上，且其梯形角度按照设定角度固定封装。通过透镜作用使点光源变为面光源，增大单个LED面光源出射光的角度，同时也增大LED面光源的照射面，也提高了LED面光源的出光均匀度。二次配光是平面排列的 LED光源采用横纵方向非对称形状配光的透镜设计，通过调整二次配光弧面的曲率与LED面光源的间距的组合设计。

大功率LED灯具的主要热性能参数为结温和热阻，LED封装材料的热阻较大，散热能力有限，还要通过芯片内部热沉向外传递热量，散热冷却系统在封装结构上采用大面积芯片倒装结构、金属线路板结构、导热槽结构、微流阵列结构等；材料选取合适基板材料和粘贴材料，用硅树脂代替环氧树脂，采用新型导热涂层散热材料来解决导热问题。本项目采用液态金属冷却系统满足LED芯片不同温度的散热调节。

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