基于光纤耦合的LED冷光源研究

徐彭飞，廖 智，赵 国，杨 萍，赵建明

(1.电子科技大学 微电子与固体电子学院，四川 成都 610054；2.四川蓝彩电子科技有限公司，四川 遂宁 629000；3.四川绿然电子科技发展有限公司,四川 射洪 629200)



基于光纤耦合的LED冷光源研究

徐彭飞1，廖 智2，赵 国3，杨 萍1，赵建明1

(1.电子科技大学 微电子与固体电子学院，四川 成都 610054；2.四川蓝彩电子科技有限公司，四川 遂宁 629000；3.四川绿然电子科技发展有限公司,四川 射洪 629200)

为了解决大功率LED芯片散热问题带来的LED光源寿命缩短、LED光衰以及散热与LED光源体积要求之间的矛盾，分析了影响大功率白光LED寿命及失效的因素、当前LED封装形式以及光纤导光的优点，提出一种基于光纤耦合的LED冷光源，采用光纤耦合的方式把LED模组中LED芯片发出的蓝光经光纤传导至另一端，透过含有荧光粉的透光层后发出高亮度的白光，实现了LED芯片与荧光粉的隔离，不仅能避免传统一体化的LED因高温导致LED光衰、发光效率低、寿命缩短，而且能大大缩小LED光源的体积，促使LED向汽车照明等大功率照明领域发展。

白光LED；光纤耦合；光衰；大功率；失效

引言

LED光源具有功耗低、可控性强、寿命长等特点，广泛应用于现代照明领域中[1-2]，已成为世界各国照明产品发展的方向。随着半导体产业的不断发展和工艺技术的改进，LED正向大功率照明如汽车照明等领域迈进。LED在汽车照明应用中除了作为内饰装饰灯外，最重要的应用是包括转向灯、车内阅读灯、汽车大灯以及第三刹车灯等在内的汽车车灯[3]。

目前市场上大多数白光LED灯均采用蓝光LED芯片照射黄色荧光粉得到，LED芯片与荧光粉封装以在一起的方式进行生产[4-5]。当利用LED灯作为发光源进行工作时，LED芯片会产生大量的热量，如果产生的热量不能很好的散去，会使环氧树脂和荧光粉焦化，导致LED灯亮度减小，缩短LED灯的使用寿命[6]。LED芯片的功率越大，所产生的热量也越多，因此需要较大体积的散热装置进行散热处理，而散热装置的体积越大也就导致LED光源最终的体积变大，使LED照明在很多领域的应用受到很大的限制。此外，即使有散热装置，对荧光粉的影响仍然较大，LED灯的使用寿命也没有明显改善。因此，LED灯内散热性能的缺陷，导致LED光源的发展受到很大的限制。

为了解决大功率LED芯片热问题带来的一系列影响，本文提出一种基于光纤耦合的LED冷光源，采用光纤耦合的方式把LED模组中LED芯片发出的蓝光经光纤传导至另一端，透过含有荧光粉的透光层后发出高亮度的白光，实现了LED芯片与荧光粉的隔离，不仅能避免一体化LED因高温导致LED光衰、发光效率低、寿命缩短，而且能大大缩小LED光源的体积。

1 影响LED光源寿命及失效的因素

影响LED光源寿命及失效的因素很多，大致可分为来自LED外部驱动电路和LED自身内部因素两种，而影响寿命及失效的LED内部因素又主要由LED芯片失效以及荧光粉和封装材料的退化引起。

与传统光源一样，LED在工作时也会产生大量的热量。LED在外加电场作用下，电子与空穴大量复合，除了一小部分以光能的形式释放外，其他大部分能量以非辐射的形式释放，造成半导体晶格的振动，并产生热量，造成LED结温的升高。随着LED芯片结温的升高，PN结内部的电子和空穴浓度、禁带宽度及电子迁移率等微观参数都会发生变化，从而影响LED的光电参数[7]。如图1所示，随着LED结温的升高，其相对光通输出量线性降低，以受结温影响最小的蓝光为例，当结温从0℃到120℃变化时，蓝光LED相对光通输出量从105%下降到100%。当LED芯片的温度超过其最高结温时，将导致LED芯片损坏而失效。

图1 不同光色LED的相对光通输出随结温变化的示意图Fig.1 Schematic diagram:relative luminous flux output of different color LED along with junction temperature change

大功率白光LED通常采用蓝光LED芯片与含有YAG荧光粉的环氧树脂一起封装在铝基板上而制得，当散热不足时，荧光粉和环氧树脂容易受高温而焦化。荧光粉老化将导致其量子效率降低，由荧光粉转化的黄光成分减少，最终导致白光LED的光输出量减小和颜色漂移[8]。

外封胶环氧树脂的老化同样也是造成LED光衰的因素，高温造成环氧树脂变黄会使得其对光的透射率下降，即褐化现象，进而造成LED的出光量降低[9]。当LED芯片温度过高时，封装所用的环氧树脂的温度与芯片的结温接近时，环氧树脂的热膨胀系数会发生剧烈变化，此时产生的内部应力和水分的蒸汽压力很可能大于封装树脂与芯片、固晶胶以及框架表面之间的粘接力，以致它们的界面之间出现剥离现象，严重时还会导致封装树脂或芯片出现裂纹[10-11]。

LED芯片产生的高温不仅导致了自身的光衰及荧光粉和外封胶的退化，而且对LED寿命影响极大，如图2所示，LED的光衰和寿命是和它的结温密切相关，结温越高越早出现光衰，寿命也越短。结温为105℃，亮度降至70%的寿命只有一万多小时，95℃有2万小时，而结温降低到75℃，寿命有5万小时，65℃时寿命可达到9万小时。因此延长LED寿命、提高其发光效率的关键就是要有效降低结温。

图2 Cree公司的LED的光衰曲线Fig.2 Curve: LED light failure of Cree company

2 基于光纤耦合的LED冷光源原理

基于光纤耦合的LED冷光源的出发点就是解决结温造成的荧光粉和封装材料的退化导致的LED光衰和寿命衰减，以及有效散热所需散热器体积与所需光源体积之间的矛盾。如图3所示，把蓝光LED芯片用外封胶封装在铝基板上并引出两个金属电极，从而形成蓝光LED光源。蓝光LED芯片产生的热量通过铝基板以及夹在铝基板上的散热片散到空气中，合理设置散热片能够有效减小LED芯片光衰。

图3 光纤耦合的LED冷光源示意图Fig.3 Schematic diagram:LED cold light source of optical fiber coupling

光纤是一种非常理想的光传导介质。光纤不仅传导光性能好，而且质地柔软，能够弯曲而不至于断裂且便于安置。把光纤的一端入口正对LED芯片固定在铝基板上，使蓝光LED芯片发出的蓝光完全耦合到光纤线路里传导至另一端，光纤线路既可采用单根粗光纤，也可采用多根细光纤组成的光纤束，在光纤的另一端敷上含有YAG荧光粉的环氧树脂或者硅脂胶，环氧树脂或者硅脂胶固化后成为光学透镜，从光纤里传导的蓝光透过固化后的环氧树脂或者硅脂胶激发融合其内的荧光粉发出高亮度的白光。通过采用光纤隔离的方式使荧光粉和封装胶与LED芯片分离，由此能避免LED芯片产生的高温导致荧光粉和封装胶的退化而造成LED光衰和寿命缩短。经光纤耦合而形成的白光冷光源体积小、亮度高、功率大并且可视为点光源，便于在汽车大灯等领域的安装与使用。

由于光纤耦合的LED冷光源的实际使用光源与LED发光模组隔离，能够分别安装LED发光模组和使用光源，合理利用空间，能够解决散热器体积大造成最终光源体积大而限制LED照明在一些领域的应用，并且在实际应用中可以根据应用场合的需要来选光源的形状。图4为制作不同光纤截面而得到的四种LED光源：平面光源、球面光源、斜面光源，由此能满足不同场合使用的要求，提高LED照明应用的灵活性。

图4 不同光纤截面的LED光源Fig.4 LED light source of different fiber cross section

3 结论

本文通过分析影响大功率白光LED寿命及失效的因素，针对影响其寿命和失效的主要原因——LED芯片光衰和荧光粉及外封胶退化，提出一种行之有效的方法来解决，即采用一种基于光纤耦合的LED冷光源，通过光纤耦合的方式把LED模组中LED芯片发出的蓝光经光纤传导至另一端，透过含有荧光粉的透光层后发出高亮度的白光，实现了LED芯片与荧光粉的隔离，不仅能避免传统一体化的LED因高温导致LED光衰、发光效率低、寿命缩短，而且能大大缩小LED光源的体积，提高其应用的灵活性，促使LED向汽车照明等大功率照明领域发展。

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Study on LED Cold Light Source Based on The Optical Fiber Coupling

Xu Pengfei1, Liao Zhi2,Zhao Guo3, Yang Ping1, Zhao Jianming1

(1.SchoolofMicroelectronicsandSolid-StateElectronics,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina，Chengdu610054,China; 2.SichuanbluecolorElectronicTechnologyCo.Ltd.，Suining629000,China;3.SichuangreennaturalDsytechnologyCo.Ltd.，Shehong629200,China)

This paper aims to solve the high power LED chip thermal dissipation which could lead to LED short life span, light failure and the contradiction between the heat dissipation and LED light source volume requirements. It analyzes the factors that affect the life span and light failure of the high power white LED, as well as the current LED packaging form and the advantages of fiber optic light. It proposes a LED cold light source based on optical fiber coupling. With the method of optical fiber coupling, the blue light transmits through the optical fiber to the other end, transforms into high brightness white light by passing through the euphotic layer containing phosphors. The segregation between LED chip and phosphor, can not only avoid LED light failure, low luminous efficiency and short life of the integration of the traditional LED caused by high temperature, but also greatly reduce the volume of the LED light source, which will prompt the development of LED to high power lighting field such as the car lighting.

white LED; fiber coupled; lumens depreciation; high power; failure

四川省2012年科技支撑计划

TN312.8

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.016