高效无金属散热器LED照明灯节能技术解析

LED照明具有光效更高、寿命更长；不含有害物质汞；使用寿命与灯的开关次数几乎无关、可提倡“随手关灯”；可以瞬间起亮等突出优点，被认为终将替代白炽灯和节能灯，成为节能照明的主流。实际上，只有在LED灯的性价比全面超过白炽灯、特别是超过目前广泛使用的节能灯后才能成为通用照明灯的主流。

　　而LED照明的课题看起来十分明确，即在保证光质量的前提下光效需要大幅提高，例如比节能灯高一倍以上；价格需要大幅下降，最好接近节能灯；使其性价比明显优于节能灯。

　　目前的LED通用照明灯大多由功率型LED加金属散热器和恒流驱动电路构成。笨重的金属散热器不仅增加了灯的成本和重量，同时要消耗大量铝资源，有悖环保。一个LED灯就像一个金属球，不利于安全，特别是大功率LED灯。因此，目前不少消费者购买时还是选择节能灯。

　　本文将结合笔者所在公司的研发工作介绍一种LED 4π出光的高光子提取率、高效率、无金属散热器的LED通用照明灯(可以直接替换白炽灯和相当光通量的荧光节能灯的LED照明灯)技术。

　　该LED通用照明灯的整灯发光效率比荧光节能灯高一倍以上；显色指数可高达96；可制造光通量为几十至1600 lm和更高光通量的LED通用照明灯，L70寿命可达30000小时。可直接替换10～100W和更大功率的白炽灯和相当光通量的荧光节能灯。

一、LED芯片4π出光、提高PN结光提取率和实际光效

　　白光LED发光过程的能效η为：

　　η =ηI ×ηO × ηC ×K

　　其中，ηI ：内量子效率；ηO：外量子效率；ηC：光子下转换损失；K：发光粉吸收。

　　有人分析，在理想情况下，ηI = 0.95；ηO = 0.5；ηC = 0.875；K =0.95，因此，最高理想的能效η=39.5%。这里的外量子效率ηO 指的是光子在出射过程中被芯片、窗口材料，荧光粉及透镜等沿途吸收或在不同折射率介质界面反射回芯片内部再被吸收等的结果，即LED元件的光提取率。若按3500K暖白色光的光功当量为320 lm/W计算，则最高光效为320×0.395=126 lm/W。这显然是被低估了。但由此我们可以看到提高LED光效的一个重要并有巨大潜力的因数是提高光提取率。

　　LED的光来自LED芯片的PN结，其发光原本是4π立体角全方位均匀出射的自然光，但目前几乎所有的LED元件都是≤2π出光的。

　　LED的应用从初期的指示灯到数码显示和目前的彩色大屏幕显示、液晶显示的背照明等，在这些应用中，需要把原本是4π出射的光用反射碗和透镜等聚集向前方、即转变为≤2π出射的光，包括直插式、草帽式、表面贴(SMD)和COB等；这样的变换对于这些应用是需要的，也是正确的。

　　不过，这样的变换让芯片原本向后发射的光聚集向前方，将明显降低PN结发射的光的提取率，即降低了LED的实际有效光效，这对于并不一定要求≤2π出光的LED照明，并不是必需的。如果让LED芯片4π出光，将可明显提高LED PN结产生的光子的提取率、即提高LED的实际光效。

　　图1是目前大量使用的SMD式LED的光出射示意图。LED芯片被安装在光反射碗的底部，反射碗内有光出射面为平面或曲面的透明介质(图1中为平面的例子)。

　　芯片PN结向上发射的2π立体角光(以蓝色表示)的一部分可直接从光出射窗出射，另一部分光经透明介质表面全反射后经反射碗反射或直接经反射碗反射后出射。其中，直接出射光约为2π[1-cos(sin-1(1/1.5)]/2π=25%，这里我们设透明介质的折射率为1.5，经反射碗反射后出射的光占75%，设反射碗反射率为0.75，若不计反射碗多次反射和透明介质的吸收损失，则总光提取率为(25+75×0.75)%=81%。　　LED芯片向下发射的2π光(以红色表示)，要经过芯片背镀反射膜、反射碗底、反射碗壁的反射、多次反射、多次碗底和壁的吸收，估计出射率约为60%(取决于反射碗壁和底、电极表面、电极之间介质面、固晶胶等的反射率)。

　　因此，LED芯片光的总提取率=(0.81+0.6)2π/4π=71%，即约30%的光被LED元件吸收而变为热能。

　　图2是LED芯片4π出光的示意图。其中LED芯片为芯片基板是透明的芯片，至少一串相互串联或串并联的芯片被用透明胶固定在一个LED发光元件的透明基板上，芯片上覆有透明介质层或发光粉胶层。

　　若芯片基板为蓝宝石，蓝宝石上的外延层和PN结为GaN，P电极为ITO，LED元件透明基板为玻璃，透明介质为硅胶，它们的折射率分别为1.77、2.4、1.8、1.45、1.5，由图2可见，离开LED芯片PN结向上和向下发射的各半球2π的光都可以顺利出射，蓝宝石基板内部基本上没有多次反射吸收，若不计介质吸收，LED芯片的光几乎可100%出射。

　　即4π出光的LED元件的实际发光效率要比SMD式LED高约(100-71)/71=41%。我们的实验结果基本与此相符。

　　可见，让LED芯片4π出光可提高LED元件的实际发光效率约40%，同时减少LED的发热量。考虑到现有LED元件的不同结构，4π出光应可比≤2π出光的光效高30%以上。

　　其实这个概念几乎所有LED工作者早就知道，但没有能实用，其关键是没有能解决LED芯片的散热问题。

二、气体散热分析

　　要让LED芯片4π出光，芯片四周必须是高透光率而且可散热的透明介质。人们很容易首先想到的是用液体散热，因为透明介质中、液体的导热率一般都比气体要高得多。例如水的导热率为0.5 W/(m·K)，是空气导热率0.025的20倍。

　　十多年来一直有人在研究用液体散热来达到LED芯片4π出光，但液体散热仍有一些难以克服的困难，例如，液体的粘滞系数比气体大很多，水的粘粘滞系数为8937μP，是空气的10倍，是氦的77倍，高粘滞系数导致LED芯片周围很容易因为芯片发热使液体相变气化，而产生的气体因为液体的高粘滞系数而难于跑掉，芯片容易被静止的气体包围，而任何静止的气体都是良绝热体，因而容易使芯片过热而烧毁。此外，还有液体容易电解、侵蚀芯片和发光材料、泡壳破碎后的污染等问题，至今还没有很好的实用产品。

　　气体与液体相比，虽然导热率低，但粘滞系数比液体小的多，容易形成气体对流，有效地把LED工作时产生的热带走散发掉，从而获得良好的散热效果。

　　初期，人们把LED芯片安装在条状或平板型透明基板上，在空气中工作，利用空气散热。但由于空气的导热率低、粘滞系数高，难以有效散热。若LED芯片安装在一个平板上，则热量集中更不利于散热，因此难以制成光效高，又能足够输出光通量的LED灯。例如，Ushio的LED灯丝灯，输出光通量仅36 lm，光效仅60 lm/W。又如松下的LED芯片安装在一透明平板上的空气散热的LED灯泡，输出光通量为210 lm，光效为47 lm/W。这些LED芯片4π出光的LED灯泡的光效反而低于用现有≤2π出光的LED元件制成的LED灯，现有LED芯片出光角≤2π的A19形球泡灯的效率为40～90 lm/W，其原因在于没有解决LED芯片的有效散热问题，致使LED芯片的PN结温升高、光效低，输出光通量小。

　　笔者所在的公司有效地解决了4π出光芯片的散热问题，其方案是：把至少一串相同或不同发光色的LED芯片用透明胶分散固定安装在一个透明基板条上，芯片和透明基板条四周有至少一层透明胶层或发光粉层；透明基板二端有电引出线，制成LED发光条(或称LED灯丝)；所述LED发光条被安装在一个真空密封的透光泡壳内，泡壳内充有高导热率、低粘滞系数的传热并保护LED的气体；LED的电极经真空密封泡壳的芯柱的引出线引出，经LED驱动器与一电连接器连接，电连接器用于连接外电源，制成一个外形与白炽灯相似、高光效、无金属散热器的LED灯丝灯，可直接替换白炽灯和节能灯。

　　现已制成了整灯光效高达170 lm/W的A19型LED灯泡；其输出光通量可达760 lm；显色指数(CRI)可达96。最近该公司实验室已制成色温5000K、CRI为71，光效高达193 lm/W的A19灯。其光效比节能灯高一倍以上。从而使LED 4π出光、无金属散热器的LED灯泡进入了实际使用时代。图3是锐迪生4条LED发光条串联的LED灯丝灯示意图。　　高导热率低粘滞系数的气体优选氦或氦氢混合气。氦的导热率为0.14 W/(m·K)，是空气的6倍，粘滞系数仅194μP，是空气的1/8；氢的导热系数为0.15，粘滞系数为87.6，且成本低，但使用欠安全；为降低成本，可用氦氢混合气。高导热率低粘滞系数气体容易形成有效的对流散热，可以把LED芯片工作时产生的热很快带走，传递给灯泡的泡壳，再经泡壳到周围空气散发掉。

　　其次，采用导热率较高的发光条透明基板，例如用硬玻璃、石英玻璃、蓝宝石、透明陶瓷、AlN等。同时要采用导热率高、透光率高的固晶胶和发光粉胶，并尽可能减小它们的厚度，还要尽量增加透明基板和发光粉胶与散热气体的接触面积，以降低LED的PN结到散热气体的热阻。所述至少一层发光粉层可被涂覆在透明基板和LED芯片四周，例如涂覆在发光条有LED芯片和无芯片二面，或仅在有芯片一面，也可以先在透明基板上涂覆一层发光粉层，LED芯片被固定在该发光粉层上、芯片电连接后再涂覆一层发光粉层。

此外，还可以把发光粉涂覆在灯泡泡壳的内壁上，发光条的LED芯片上仅有一层透明胶，发光粉远离芯片，有利于减小光衰，增加灯的