平板玻璃结构的LED光源模组

作者：吴懿平 博士

引言
技术进步使得LED的电光转化效率越来越高，原本因为散热问题而抛弃的一些优异材料有可能成为未来LED光源制造的主要材料，比如玻璃。从电光源始祖的白炽灯，到气体放电的荧光灯，普通玻璃一直是电光源的主体材料。但是，传统的LED光源却很少用到玻璃，这是因为LED光源需要良好的散热，而玻璃与金属相比导热不良。近些年来，一些新型的LED应用已经开始利用玻璃这种廉价、密封性、绝缘性、透光性都极好的材料。比如LED灯丝灯结构就是利用玻璃材料制造的、能360度发光的球泡灯，其形状和制造工艺也与传统白炽灯类似，获得市场的认可，成为近两年LED球泡灯的主流形式。
玻璃被大量用作照明光源的光学结构材料是因为其有许多优良特性。首先，制造玻璃的主要原料是硅酸盐，所以价格低廉；第二，玻璃的透射性能很好，透光率一般都能达到90%以上，大大提高了LED灯的出光性能；第三，玻璃具有良好的绝缘性能，普通玻璃材料的绝缘强度为250～400 kV/cm，可以在高压驱动下仍可保证人体接触到时没有危险；第四，玻璃具有良好的密封性能，可充气、防水、甚至做成全玻璃的热管结构，是理想的电光源外壳；第五，玻璃有较高的化学稳定性；第六，玻璃的加工工艺简单，玻璃可以用吹、压、拉、铸等多种成形方法，制成各种形状的空心和实心制品，也可以通过焊接和粉末烧结等加工方制成形状复杂、尺寸严格的器件以及玻璃与金属的混合封接结构。
当然玻璃应用在照明领域中还有一些缺点。首先是玻璃性脆，很容易在冲击力的作用下破碎；其次是玻璃的热稳定性较差，在温度剧烈变化时容易破裂；第三，玻璃的导热性能较差，导热系数仅为0.52～1.1 W/(m•K)，而常用做散热材料铝的导热系数约为160～200 W/(m•K)。
随着LED电光转换效率不断提高，产热下降，玻璃结构优异光学和电学特性完全可以作为LED光源的光学和结构材料，而热性能可以通过缩小导热路径和增大与空气的散热面积来加以优化。应用在低的功率密度场合，玻璃完全可以作为导热材料和散热材料，但是当功率密度过高时，玻璃可以只作为散热材料，这是因为热对流性能主要与流体的特性有关，另外与固体表面和其空间结构有关。例如，磨砂面的表面积大，利于热对流；在自然对流的情况下，顺着重力方向的孔或槽都增大了对流换热面积和对空气的扰动，也会利于对流散热。至于脆性的问题，也有很好的解决方案，其中在玻璃表面添加硅胶涂层，当玻璃碎裂时，由于涂层的粘结作用，玻璃碎片不会分散开，这有利于人的安全。
平板玻璃LED光源结构
以线型COB作为光源，以平板玻璃为散热材料，我们提出了一种平板玻璃散热结构的LED光源模组(如图1)。此模型中，平板玻璃水平放置，1条线型COB光源通过透明导热硅胶粘接在平板玻璃散热器的上表面。其中线型COB光源由荧光胶、LED芯片、固晶胶层和玻璃基板组成。
线型COB光源的长度为45 mm，宽度为1.2 mm，高度为0.6 mm，封有17颗0916芯片，其中芯片均匀分布；该光源的总功率为1 W；芯片与玻璃基板之间采用0.02 mm厚的固晶胶进行连接。线型COB光源与平板玻璃散热器之间采用透明导热硅胶进行连接，厚度为0.02 mm。
定义线型COB的长度方向、宽度方向、厚度方向分别为平板玻璃的长度方向、宽度方向和厚度方向。利用FloEFD流体分析软件分析平板玻璃散热器的长宽厚的尺寸对于该光源模组结温和温度分布的影响，根据结果提出最佳的散热器方案，并提出利用平板玻璃作为散热结构的LED光源设计方案。
在平板玻璃LED光源模组的稳态温度场模拟中，平板玻璃的导热系数和玻璃基板的导热系数为1.05 W/m•K；固晶胶的导热系数为1 W/m•K；透明导热硅胶和荧光胶的导热系数为0.6 W/m•K。假设LED的电光转换效率为25%，即热功率为0.75 W。平板玻璃的材质设置为透明，其热辐射可以忽略。热辐射类型为离散传递。
由于LED芯片为玻璃LED光源模组的热源，该模组的稳态最高温度会出现在LED芯片的PN结处，即最高温度为芯片的最高结温。最高温度的变化也就意味着芯片结温的变化，所以玻璃LED光源模组的最高温度可以表征LED芯片的结温。
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