光学和热学性能验证提高LED系统设计

James Petroski表示，对LED器件的光学和热学性能进行快速而简便的测量，这种能力将对系统的设计过程明显会产生积极的影响。

LED系统通常会设计成在某种光谱分布下发出特定波长的光。LED系统的设计者非常倚重LED制造商提供的性能参数，如在某种光谱分布下平均每瓦所能发出光的流明数。封装的热性能也十分重要，当温度升高时光输出下降的速率也是关键参数。如果实际性能与制造商提供的参数不同，系统集成商将不得不使用试错法来辨别问题所在，并重新设计整个系统以补偿LED性能上的变化。

传统测量LED性能的方法，如使用光学积分球测量光学性能，既耗时相当长，结果又需要再解读，这会导致不准确的结果。新一代的积分测试系统能明显缩短LED光学和热学性能的测试时间。该方法将传统的热测量法与光学探测器结合起来，为大功率LED系统进行光学和热学性能提供自动检测。热学指标以及诸如光通量和光效等光学参数，都能通过测量得出以温度和驱动电流为变量的函数。

然而，想要充分挖掘LED的潜力则要求对照明系统的设计进行变革，而近五十年内，基本的技术没有多大的变化。关键的不同点是，传统光源浪费的能量有90%以上都以红外辐射的形式向外扩散，只剩下不到5%的能量是通过热对流和热传导损耗的。与之对比LED系统表现不同，非有效能量主要以热能的形式通过热传导从LED芯片导出，因此整个照明系统只能仰赖自然对流，以及少部分的热辐射向外界释放热。针对上述不同的热扩散形式，照明系统的设计者必须学会重新考虑和设计系统。


照明系统设计

设计照明系统时通常需要满足光学、功率和成本等几方面的要求。光学设计目标通常为照亮某一区域，如一个房间；或提供一个点光源作为聚光灯等。组成照明系统各独立LED芯片的光学和功率参数直接关系到其性能。当需要照亮某个区域时，最主要的考虑是照明系统发出的总流明数和能效。如果扩大芯片间的空间距离，可以减少热设计的挑战，但照明系统设计中通常需要的是点光源，这样芯片间的间距就很小。功率需求反过来就主要由LED的能效来决定，其定义为每瓦输入能量转化为被眼睛感受到的光输出流明数。当然LED的光学性能也与高温衰减非常相关，也就是当温度器件温度升高时，光输出降低的速率。

热设计在每个LED系统里同样版样了关键的角色。多余的热量会减少LED芯片的光输出，造成色移，加速器件光输出衰减，影响使用寿命。LED制造上通常将结温保持在25°C时测量他们的LED芯片。但实际工作情况下结温通常会升至60°C甚至更高，这将会造成光输出与分拣测试时相比至少降低10%。

封装设计，特别是封装的热阻，对于系统性能非常重要。LED芯片向外散热的主要障碍包括不同的热界面和半导体结至环境间的热流路径。LED芯片一般通过一个键合层固定在一个金属互联层上，然后分别是陶瓷基板和电绝缘导热底板；其他的设计则在裸片下使用热芯来导出热量。整个封装总的来说就是为了从芯片背面导出热量，从而最大限度的提高光输出。新型、改进的材料，如Graf Tech研发的石墨基散热剂，可以在芯片重量、厚度和总热量需要最小化的情况下使用，从而使得温度均匀的分布。