几款贴片LED的比较

几款贴片LED的比较这里就目前常用的几款贴片白光LED的优劣做个比较。主要是下列几种封装形式的LED：3528、3014、2835、5630。几款LED的外观结构见图1。3528301428355630-15630-2图1.本文讨论的几种白光贴片封装5630的封装结构有两种形式，如上图，这里以“-1”、“-2”来区分。国内的封装厂基本上是“1”形封装。采用“2”形封装的主要是韩国LG。1.散热方面比较1.1LED封装的散热状况测试比较表1是几款贴片LED的测试结果。3528、2835、3104均焊接在相同设计的PCB上，工作电流均为30mA，两款5630也是采用相同的PCB，工作电流是150mA。表中有“a”后缀的表示采用了更好的散热措施。表1.几款贴片LED的测试数据参数LED类型3528单位3528283530145630-15630-25630-1a5630-2a测试及计算数据Ta℃3131.530.530.524.924.928.825.3初始电压稳定电压电压差V3.2333.2363.2613.1533.1963.1233.2513.107V3.1993.2023.2313.1123.0493.0263.1873.076V0.0340.0340.0300.0410.1470.0970.0640.031测试的目的主要是考察比较这些LED的结温，以此来比较那种LED的散热好，那种不好。结温是不能直接用温度计测试的，通常是根据半导体物理的理论，PN结的电压与温度有着线性的关系，以此采用电压法来测试计算结温。限于本人测试的条件，虽然测试了上述几款LED的电压温度系数K值，但是由于数值的准确度不致引起误导，这里就不给出具体的K值数据了。只给出相互比较的趋势。从本人测试的几款LEDK值数据看，有着很明显的趋势，数值由大到小的顺序是：K3528＞K2835＞K3014＞K5630从表1的电压差大小就可以基本反映结温的变化大小。虽然看来2835的电压差比3528的要小，但是它的K值小，实际结温还是比3528要高2℃左右。5630则不能简单地跟其它几款贴片LED相比较，因为它的K值比其它的要小很多，跟最低的3014相比还要小20％。而且它的工作电流是150mA，所以，5630的结温要高很多。我们只能是在两种5630结构之间进行比较。从表1的数据可以看到，5630-1型封装的散热要比5630-2型封装要差很多。根据K值计算结温，两者的结温相差达到20℃以上。1.2几款LED的应用分析根据上节的测试比较，可以看到，5630封装结构的结温要远远高于其它几种封装的结温。由此可以推断，5630的寿命和可靠性要低。注意，知识针对目前5630型封装的额定电流情况（通常厂家给出的是120mA或150mA）。如果这种封装的额定电流规定为20mA或30mA，则另当别论。从测试的结果看，在3528、3014和2835中，被认为散热最不好的3528封装，实际上是最好的。3014和2835的封装结构，与3528相比，并不是它们额定电流大小决定了结温高，因为测试是采用了相同的电流。并且测试中采用的3528还是额定电流20mA芯片的产品，用30mA来测试，已经是超负荷工作了，依然表现出比额定电流30mA芯片的3014及额定电流60mA芯片的2835要好的性能。由此可以推断，同样是30mA下工作，3014的散热能力不如3528，其寿命和可靠性也就差。而2835，若只是设计用来在30mA下工作，性能基本接近3528。但实际上它的额定电流是60mA，这样，实际产品的寿命和可靠性相对3528就很差了。注意，这里用20mA的3528工作在30mA与其它LED比较，并不是让大家简单地用额定电流20mA的产品直接采用30mA来使用，因为这样会造成色温的变化和正向电压的增大。本测试对比表明，如果3014可以工作在30mA，那么用3528封装也可以采用30mA的芯片及工艺来封装以工作在30mA。当然，这里只是从热的方面来考虑，光的方面还需考虑。看问题要全面，不可一叶障目。一方面的好，并不能代表整体好，需要全盘考虑。2.光学方面比较这里的光学比较，仅仅是以LED自身特性考虑。3014的推出，主要是想替代352。推出它的理由是：体积小，散热比3528好。还没有注重宣导它的出光方面的优势。而2835的推出，则还注重地宣传它出光面大的优势。同样，5630则是比较强调了它的出光面更大。封装厂家宣传称，出光面大，在管灯和球泡灯等的应用中，可以解决暗斑问题。是否如此？必须实验验证。其实，我们看看这几款贴片LED归一化光强10.50306090角度120150180的规格、或实际测试看看，就会发现，它们的额定视角都是相同的——120度。图2是几款贴片LED的长、宽方向的光强分布。为了便于比较，图中的曲图2.几款贴片LED的光束角比较5630宽度方向线做了适当的位移，将左边50％光强的点移到一起，这样从右边50％光强点就可以清楚比较光束角的大小。为了看得更清楚，将图2中画圈的部分进行放大示于图3。50%Iv图3.对图2的局部放大5630长度方向3014长度方向3014宽度方向2835宽度方向2835长度方向从图2和图3中可以看到，发光面最小的3014似乎有最大的光束角，而发光面最大的5630却有着最小的光束角。而且还可以看到，这几款贴片LED，长度方向的光束角并没有比宽度方向有优势，甚至像5630（方芯片）、3014，宽度方向的光束角明显大于长度方向的光束角。在小于60度的范围内，2835宽度方向的光束角也明显大于长度方向的光束角。上面的测试结果，是不是让人大跌眼镜？在这个数据比较出来之前，人们都认为：a.长度方向的出光角度大。b.出光表面大，所以照得更宽。所以都认为用5630比3528、3014更能解决暗斑问题。现在看来，上述看法都是想当然的。出光面大，不能代表光束角大。根据上述比较，可以看到，不能用5630简单地替代3528、3014来解决管灯的暗斑问题。对于同样的LED间距，5630比3528、3014等会有更严重的暗斑问题！为什么出光面大，光束角却没有增大，甚至减小？为什么长度方向的光束角还小于宽度方向的光束角？这些问题的的分析有些复杂。白光LED胶体中的荧光粉颗粒、胶体表面的平整度、粗糙度、壳体的侧壁反光、芯片的尺寸等因素，都会有影响。事实已经摆在眼前，不容否认，只能是用理论来分析、解释。这对设计LED支架结构的人来说，应该是很重要的课题。但对应用LED的人来说，则可不必考虑。当然。有兴趣的也可以自己去研究一下。图4是3528和5630光斑状况的比较。两种LED之间的距离是相同的，改变LED到光罩的距离，可以看到，当着光斑（两束光之间的暗区）基本消失时，它们都有着同等的距离。并不会因为5630的出光面大而可以有更近的距离。这个实验表明，在做管灯时，同样的灯具，不能因为5630的表面大而增大LED的距离来减少LED的数量。要没有光斑，5630和3528的使用数量是相同的。这样使用5630的成本就太高了。因此，要用5630来做管灯，灯具结构必须改变。这样改进结构的产品已经面市了，大家有机会看到就明白了。解决暗斑问题，可以采取如下措施：图4a.减小LED的间距。这样，对某些灯具来讲，会增加LED的数量。b.适当增大LED到扩散罩的距离。适当的距离已可以解决光般问题，过大的距离则会带来其它问题。c.更改灯具的结构，以满足既增大LED的间距，又增大LED到扩散罩的距离。当然，对透明罩则不需考虑这些问题。3.几款贴片LED的比较结果根据上面的测试结果，可以对这几款封装的LED做个评价。3014——除非对体积有要求，否则不宜考虑。3528——该封装体的散热还是不错的。2835——与3528相比没有什么优势。5630-1——这是失败的封装设计。5630-2——相对5630-1封装，散热能力强很多。从散热的角度看，3528比较好。根据一些初步的测试，本人认为，3528封装的工作电流可以拓展到40～60mA。传统3528的高度较高，现在已有薄型的3528封装，基本上可以淘汰3014产品——除非设计的灯具非常小，允许的PCB尺寸非常小。5630封装，若采用图1中的5630-2型，最大工作电流应该在120mA为宜。用到150mA，需要很好的散热装置，否则，结温很容易超过70℃。至于5630-1型封装，最大工作电流应该在100mA以下为宜。2835从成本上看，不可与3528相比拟，所以，可以淘汰或改进。没有对5630和小尺寸的封装做比较，因为没有实际意义，不可能用5630在30mA以下来用。4.对贴片封装LED改进的建议3014和2835型封装的散热效果所以不如预期，在于它们热沉设计的不合理。从理论上讲，这样的设计思路是对的。但是，为了追求小型化、超薄形，达到的结果确实是不好的。影响热阻的因素，不仅仅在于一个纵向的薄，还需要横向的宽。这方面的问题我在“导热系数和热阻的实际应用”【1】一文中讲过。我再这里重复一下来说明如何改进贴片封装结构。图5、图6是两款1W级封装的LED，图7、图8分别是这两款LED的截面示意图。图9是它们在实际使用时，热流的传导示意图。请特别注意一下它们的铜底座尺寸。这些尺寸的设计对散热非常重要。通过实际测试，这两款LED相比，图6的LED芯片温度要远低于图5的LED。虽然从LED结封装结构看，似乎图5的LED的芯片到热沉底部的热阻小，但是当接散热器时，铝散热器的导热能力比铜小的多，热量不容易横向散开，除非是铜散热器，这样就和图6的结构类似了，而这实际上就反过来证明了图6的散热要好了。图8的结构，散热铜底座较厚，但是横向比较大，芯片的热量可以很快横向散开。LEDCHIP图72.8图5图6图9图82.8φ6LEDCHIP相比起来，图6的LED结构中与图5结构相应点的热流密度都要低，参看图9，实际热阻其实0.21.352.550.51.81还要小。这个例子说明，封装体的热沉不能仅仅依靠减薄来减小热阻，它需要一定的宽度和厚度。宽度增大，而厚度很薄的话，横向热阻依然会大。实际上，像3014和2835，以及5630这样的封装，所以散热不好，就是因为封装热沉接触的PCB覆铜厚度很薄。除非将PCB的覆铜做到0.5～1mm厚。这是不可能的，成本上不允许。所以，从实际应用的角度看，要减小热阻，只有将封装体的热沉做得适当的大和厚。封装厂不能只考虑自身的成本问题。像3014、2835及5630这样的封装，散热宣传封装热阻很小，但在实际应用中反倒会造成系统的热阻增大。很多人只是从表面现象、孤立地来看问题，这很不好。由于LED封装体热沉设计的不合理，芯片热量不容易导出到外部。只有通过加大散热器，增加外部散热能。适当降低散热器外端的温度，也可以适当增加传热量。但是，一方面，散热器增加到一定程度，由于热阻等因素，散热的能力将受到限制，另一方面，重量和成本大大增加，体积也大大增加。而如果封装上增加一点成本，加大、加厚热沉，能够将芯片的热量很好沿横向导出，扩散到PCB的覆铜，覆铜的热再传导到散热器上，覆铜还可以有加大的面积辐射散热，系统的热阻就有效减小。这样实际上可以有效减小铝散热器。对某些灯具，设计的合理，甚至可以省去铝制翅片散热器。总体成本和体积反倒可以减小。在出光方面，放置芯片的槽，侧壁要尽量低一些。胶体表面也不要呈现凹面。日明光电（深圳）有限公司江良荣选自夏俊峰先生的研究