柔性LED球泡灯的光热电性能

引言

发光二极管(LED)是新一代光源，将其用于照明，可以节省电力消耗[1,2]。白光LED近年来发展迅速，已广泛应用于信号、显示、汽车照明、景观照明等领域[3，4]。随着白炽灯的逐步禁用，LED灯丝灯因其仿古的造型获得一些怀旧人群的追捧[5]。市场上的LED灯丝通常被设计成直条状，封装在泡壳内，然而这种LED硬灯丝无法设计出圆滑多变的造型或在有限的内部空间要求更大输入功率的灯泡，此外灯泡的功率往往会受灯丝长度的限制，散热性能也会受到影响[6]。目前，大多数光热电性能的研究多数集中在刚性、不易弯曲的LED硬灯丝上，而有关柔性灯丝光热电性能的报道很少。柔性LED灯丝的芯片串联或并联发光时，可以呈现出多角度、多层次立体均匀发光的特点，且在样式上更受大家的喜爱，在加工工艺上更加便利。本文制备的螺旋柔性LED灯丝采用倒装芯片，利用平面涂覆技术,保持了螺旋柔性LED灯丝的色度、亮度的均匀一致性，改变了现有荧光粉涂层的形状和工艺，使芯片表面的荧光粉层厚度均匀化。本文对螺旋柔性LED灯丝的加工工艺进行研究，对灯丝的光热性能进行测试，从而更好地为研发和生产提供参考。

1 实验

1)样品制备。本文提出制备的新型螺旋柔性LED球泡灯如图1所示。通过固晶机将94颗倒装芯片均匀地固定分布在直径为26 mm的螺旋树脂基板上；倒装芯片的几何尺寸规格为200 μm×510 μm×150 μm，芯片内部的p-n结将一部分的电能转化为光能。因为芯片环绕一周均匀分布，所以灯丝的发光较为均匀。采用SY-6021硅胶A，SY-6021硅胶B，Lu3Al5O12:Ce荧光粉,粒子直径为13 μm，发射波长530 nm，(Sr,Ca)AlSiN3:Eu荧光粉B,发射波长640 nm和C荧光粉(Sr,Ca)AlSiN3:Eu，发射波长628 nm,质量比分别为硅胶A∶硅胶B∶荧光粉A∶荧光粉B为52∶13∶12∶1.12。额定电压为135 V，对螺旋树脂基板双面点胶。分别取封装后合格的灯丝，封装成图1所示的灯泡。

图1 柔性灯泡
Fig.1 Flexible bulb

2)测试方法。采用远方积分球BM-7测量此螺旋柔性LED球泡灯的光通量、色温和色坐标，计算出光效。将螺旋柔性LED灯泡正负极用积分球中的夹具夹住，置于积分球中心。将光纤伸入积分球，固定好光纤。将恒流源与积分球连接，输入电压电流点亮LED。LED发射的光经积分球内部白色漫反射层,漫反射一部分光线通过积分球表面的通光孔径光纤传输到微型多通道光谱仪，光谱仪采集的数据通过USB接口发送到计算机进行处理和显示[5]。

采用结温测试仪LED-T300对这种柔性LED球泡灯进行相同功率下pn结温度测量和热阻以及球泡灯表面温度的测量。用紫外线照射光敏胶将热敏电阻固定在泡壳表面中心位置。放进结温测试仪对应的烤箱进行定标。定标完成后将灯泡取出连接在结温测试仪相应位置，在相应定标文件下，利用恒流源输入不同电流驱动，测量不同功率下的结温和热阻变化。

为了探究灯丝发光的光分布情况，我们做了关于灯泡光分布均匀性实验。在黑暗的情况下，利用远方照度计BM-7对准点亮后的灯泡，照度计镜头对准灯泡，保持恒定的距离，以相同角度间隔均匀放置12个位置，测试记录光强。

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2 结果与分析

2.1 光谱图

将被测灯泡样品放入远方积分球，点击精确光谱仪开始测试，点亮样品灯泡测试得到样品的光通量、色温和色坐标。用获得数据可以绘制得到该种螺旋柔性灯泡的光谱图如图2所示，可见随着驱动电流变大，蓝光LED的峰值波长的光谱强度明显增大，半高宽增加，峰值波长未发生明显的蓝移或红移现象，说明这种灯泡的性能稳定[7]。

图2 柔性灯泡样品的光谱图
Fig.2 The spectral diagram of the flexible bulb

2.2 发光效率的变化

连续测同类样品5组取平均值可得到灯泡样品的光通量随电流变化如图3所示。图3说明这种柔性灯泡的光效呈现出随电流先上升后下降的变化趋势，随着电流的增大，光效先增大，后下降，下降的斜率逐渐增大，下降速度变快。在10 mA附近时，发光效率达到最大值，电能转化为光能的效率最大。这是一种与散热无关的“效率骤降”现象，即随着驱动功率密度的增加，发光效率会快速衰减。

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图3 发光效率随电流变化
Fig.3 The Change of Luminescence Efficiency with Current

如表1所示，LED灯丝从瞬态到稳态时，光通量下降了7.5%，这是因为灯丝在从瞬态到达稳态的过程中，结温升高,LED的电光转换效率降低。所以，当输入相同的功率时产生的可见光的量减少，光通量也相应减少。然而，光通量只下降了7.5%，说明在泡壳内封入流动性较强的氦气有助于加强传热和散热，降低结温，减少发光效率的降低，使电能转化为热能的量减少。如表1所示，灯泡从瞬态到稳态的过程中，色温少许上升，这是因为荧光粉的热猝灭效应大于芯片，热辐射的温度大于芯片的温度[8]。荧光粉的吸收散射特性、粒径分布及荧光粉涂层的形状对LED色温角空间分布具有直接影响[3]。

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表1 光学性能数据表

Table 1 Data Table of Optical Performance

工作状态光通量/lm色温/K显色指数(Ra)样品20 mA瞬态319.452 45781.5样品20 mA稳态295.362 46681.2样品25 mA瞬态387.442 47081.2样品25 mA稳态358.262 48280.9

2.3 色坐标变化

图4是灯泡的色坐标变化图，随着驱动电流的增加，色坐标几乎没变，色温在2 500 K左右小幅度地变化，可以认为驱动电流的增加，对蓝光LED的色温没有明显的影响。色温2 500 K说明该种灯泡是暖白光灯，不适合用来直接照明，适合做气氛灯具。

图4 色坐标变化图
Fig.4 Change chart of Colour coordinate

2.4 光分布图

图5是在暗场条件下，用杭州远方BM-7型亮度计从-180°到+180°以相同角度间隔放置12个位置对灯丝进行了平均测量。图5显示了发光强度L随角度的变化。我们可以利用公式UL=Lmin/Lmax×100%计算亮度均匀性UL，得出UL为92%，说明这种灯泡的发光均匀性良好。

图5 光分布图形
Fig.5 Light distribution graph

2.5 热学模拟

图6展示了蚊香形灯泡的模拟结果，进一步解释灯丝结构对散热的影响的原因，可以看出填充气体在灯泡内部流动的轨迹和的灯泡内部的温度分布情况。从灯泡内气体流动情况，可以看出热气体从泡壳底端产生，沿着柔性灯丝结构内部向上流动，当这些热气体到达泡壳顶端后，气体沿着具有弧度的泡壳内壁向下流动。因为泡壳具有一定的弧度，气体在沿泡壳内壁向下的时候，会产生向上回旋，然后穿过柔性灯丝结构，形成一种循环。因为顶端与底端的热不均匀，能够形成一定的气体压力差。这种压力差能够加速泡壳内部的气体循环流动[9,10]。气体循环加快使得泡壳内的热对流也能加快，增强灯泡的散热能力。通过热学模拟呈现的温度分布情况可以看出灯泡内部的热量主要集中在灯丝内部，在支架附近温度达到最高。这种柔性灯泡采用的是玻璃支架，散热没有达到最优情况。市面上灯泡也多采用这种玻璃支架，寻找散热更好的支架，有利于降低灯泡的结温，延长灯泡的使用寿命。

图6 热学模拟图像
Fig.6 Thermal simulation image

2.6 热阻

如图7所示，灯泡在不同电流驱动下，热阻随功率增大而减小，减小的趋势从陡峭趋于平缓。

图7 热阻变化趋势图
Fig.7 Trend chart of thermal resistance change

根据热阻的性质可以定义为

RJ=RJ1+RJ2+RJ3+RJ4+RI

(1)

式中RJ表示该种螺旋柔性灯泡的总热阻，RJ1表示芯片层的热阻，RJ2表示基板层的热阻，RJ3表示散热层的热阻，RJ4表示填充气体的热阻，RI表示各部分接触热阻的和。

RI=RI1+RI2+RI3

(2)

式中RI1、RI2、RI3表示这些物理层之间接触间隙形成的热阻，称为接触分热阻，接触总热阻RI可以看做RI1、RI2、RI3这些接触热阻串联而成。

芯片层、基板层、散热层的材料由非金属固体构成，非金属材料的导热系数随温度的升高而增大。随着功率的增大，输入电能变大，转换的热能增多，导致温度升高，这些材料的导热系数增大、热阻减小，对热量的阻碍能力降低，有利于散热。

RJ4表示填充气体的热阻，填充的是导热系数高的氦气，随着功率增大、温度升高，分子的运动加剧，氦气的导热系数增大，热阻降低。

RI表示各部分接触热阻的和，即

CP粉冲突相对其他的冲突相对比较温和，因为CP粉之间的相互攻击往往缺少“实锤”，更多地停留在想象的层面，相比彼此攻击的负功能冲突，CP粉更愿意通过冲突关系实现自身和群体的认同。

RI=RI1+RI2+RI3

(3)

式中RI1、RI2、RI3表示的是这些物理层之间接触间隙形成的热阻，称为接触分热阻。表面互相接触时，随着接触面温度升高，接触热阻呈现下降规律。产生这一现象的理由是由于当接触面温度变化时，接触表面的微观结构发生变化。同时，接触固体本身的热阻也在变化中。

通过以上对LED各部分热阻的分析可以得到，随着功率增大，温度会升高，各部分的热阻都会发生不同程度的下降。同时引入接触分热阻的概念来使得不同材质的物体之间因为导热系数差异引起的复杂问题得到化简。同时，这里的热阻概念是一个动态的概念，受客观条件的限制与影响。

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2.7 结温

将热敏电阻固定在灯泡样品的表面，然后放入结温测试仪的烤箱中定标，定标完成后，利用所得的定标文件，输入不同驱动电流，测量灯泡样品的pn结温，得到不同功率下的pn结温度的变化趋势。如图8所示，随着输入电流的变大，灯泡的结温呈现上升趋势，上升的斜率基本一致，上升的幅度大约为15 ℃。结温的产生的原因有两个方面，一是发光效率的降低，电能转化为热能增加；二是散热能力[11]。

图8 结温变化趋势图
Fig.8 Trend Chart of Junction Temperature Change

根据图3，发光效率先增大后降低，输入的电能增大，电能转化为热能变大。与此同时，灯泡的热阻变小，散热能力变强，两者的影响叠加之后，电流增加5 mA时结温均匀增加约15 ℃。同时，结合式(4)～式(6)进一步说明这种效果的叠加。

RJ=ΔT/PH

(4)

ΔT=TJ-TX

(5)

PH=PE-POpt

(6)

式中RJ是总热阻，ΔT是结温和环境温度的差值，TJ是结温，TX是环境温度，PE是热功率，POpt是光功率，PH是热功率和光功率的差值。RJ随功率增大而变小；PE随功率增大而增大，电能更多转化为热能放出；POpt光功率减小，所以PH的值是变大的。

PHRJ=ΔT

(7)

根据式(4)～式(7)和ΔT=15 ℃可以得到，PH的增幅和RJ的降幅抵消，两者的乘积为定值。

3 结论

我们基于一种具有螺旋形状、可拉伸的蚊香形LED灯丝，制备出一种新型柔性LED球泡灯。新型柔性灯丝采用倒装芯片简化了封装工艺，降低了生产成本；利用平面涂覆技术,保持了蚊香形柔性LED灯丝的色度和亮度的均匀一致性，其光分布图也说明这种灯泡的发光均匀性良好。采用热导率好的树脂材料作为基板，有利于降低结温。此外，树脂材料柔韧性较好，利于拉伸出想要的灯丝形状。这种灯泡在内部冲入流动性强的氦气加速内部气体的对流，提高散热能力。这种球泡灯的色温稳定，色温为2 500 K。

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