一種led陣列的排布方法及排布在pcb板上的led陣列的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種LED陣列的排布方法及排布在PCB板上的LED陣列，用于提高PCB板上LED的光照一致性以及減少能量消耗，所述方法包括以下步驟：A.根據(jù)材料選取PCB板；B.將LED安裝在PCB板上，設(shè)置LED陣列中單個(gè)LED與PCB板邊緣之間的最小距離；C.設(shè)置LED陣列中相鄰LED之間的距離；D.設(shè)置構(gòu)成LED陣列的LED的排列形狀；E.設(shè)置PCB板上具有步驟D設(shè)定形狀的LED陣列之間的距離，本發(fā)明的PCB板上的LED陣列的排布方法與通常的等間距均勻排列方法相比，明顯提高了光照一致性，同時(shí)有助于延長LED的使用壽命。同時(shí)，本發(fā)明還公開了一種能提高光照一致性的排布在PCB板上的LED陣列。
【專利說明】—種LED陣列的排布方法及排布在PCB板上的LED陣列
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及LED的排列方法，尤其涉及一種用于改善PCB板上LED亮度不一致缺點(diǎn)的LED陣列的排布方法以及一種排布在PCB板上的LED陣列。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著對(duì)綠色照明的需求越來越高，發(fā)光二極管LED以其色彩飽和度高和使用壽命長等特點(diǎn)受到多方青睞。包括室內(nèi)照明、道路照明、廣告顯示、LCD電視背光、交通信號(hào)燈和裝飾照明在內(nèi)的多種照明系統(tǒng)已經(jīng)選擇高效的LED技術(shù)來取代傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈技術(shù)。
[0003]單個(gè)LED元件的標(biāo)準(zhǔn)功率為500mW至10W，研究人員預(yù)測其功率還有提升的空間。而實(shí)踐證明，LED的發(fā)光效率與其應(yīng)用相對(duì)應(yīng)地得到了相當(dāng)程度的提升，起初，LED的發(fā)光效能迅速提升到了每瓦20流明，近幾年內(nèi)則緩慢提升至約每瓦100流明，其上升趨勢(shì)表明在接下來的幾年內(nèi)LED的發(fā)光功率將提升至每瓦150流明甚至更高。
[0004]然而，要保證高亮度LED元件的穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)光提取和熱量管理具有嚴(yán)格的要求。一般說來，LED電功率約85%都將轉(zhuǎn)化成熱量進(jìn)而極大地降低了設(shè)備的光通量。另外，結(jié)點(diǎn)高溫將影響LED的最大波長，從而改變光照的顏色。實(shí)踐證明，LED的壽命隨結(jié)點(diǎn)溫度呈指數(shù)關(guān)系遞減。因此，低溫結(jié)點(diǎn)對(duì)LED具有至關(guān)重要的作用。多數(shù)實(shí)際情況要求LED陣列具有高功率高密度的特點(diǎn)，但使得功率密度與運(yùn)行溫度之間產(chǎn)生了極大的沖突，尤其是需要LED以全功率工作達(dá)到理想亮度時(shí)。
[0005]為了提高LED元件單元或是大量LED組成的LED陣列的性能，MCPCB板，即金屬內(nèi)核的印刷電路板，由于內(nèi)含有低值金屬材料而常用于散熱。同時(shí)，MCPCB板包含具有熱傳導(dǎo)率高的絕緣聚合層，可降低熱阻抗。但由于經(jīng)濟(jì)原因，常用于高亮度LED道的PCB板為FR4PCB板，而選用FR4PCB板，LED陣列在不同條件下的熱性能仍需進(jìn)一步研究。
[0006]LED普遍具有使用壽命長、功耗低、無輻射的特點(diǎn)，屬于綠色節(jié)能的照明光源。先進(jìn)LED材料的發(fā)展使得LED有望成為綠色世紀(jì)能源的主角，提高LED發(fā)光功率也成為研究的熱門。但影響LED發(fā)光功率的一個(gè)重要因素為溫度，PCB板上排列的LED陣列的溫度問題也需要解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提供一種LED陣列的排布方法及排布在PCB板上的LED陣列。
[0008]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0009]提供一種LED陣列的排布方法，適用于用于提高PCB板上LED的統(tǒng)一照度并促進(jìn)散熱，其特征在于，包括以下步驟:
[0010]A.根據(jù)PCB板的材料特性，選擇PCB板；
[0011]B.將LED安裝在所述PCB板上，設(shè)置單個(gè)LED與所述PCB板邊緣之間的最小距離，用以避免LED表面溫度超過允許的最大溫度；
[0012]C.調(diào)整相鄰LED之間的距離P，用以減小LED表面溫度的升高幅度；
[0013]D.在PCB板上將LED按照相鄰LED之間間距為P排列組成三角形LED陣列，用以降低LED陣列之間的由散熱造成的相互作用；
[0014]E.將具有步驟D設(shè)定的所述LED陣列進(jìn)行排列，設(shè)定所述LED陣列之間的距離用以保證所述PCB板上的光照一致。
[0015]優(yōu)選地，所述步驟A選擇的PCB材料為金屬芯的MCPCB板及FR4PCB板。
[0016]優(yōu)選地，所述步驟B進(jìn)一步包括，所述最小距離為0.1DL，其中DL為所述PCB板對(duì)角線的長度。
[0017]優(yōu)選地，所述步驟C包括，相鄰LED之間的距離P=d+a，其中，d常量為LED之間的附加距離，a是與LED使用壽命相關(guān)的修正因子。
[0018]優(yōu)選地，所述LED之間的附加距離d的缺省值為0.5mm,所述LED之間的距離P設(shè)定的范圍下限大于所述缺省值。
[0019]優(yōu)選地，所述步驟E進(jìn)一步包括，所述LED陣列相鄰之間的距離D沿PCB板的邊緣至中心根據(jù)以下公式進(jìn)行設(shè)定:
[0020]D= (S+a)+nd
[0021]其中，S常量為兩個(gè)LED之間距離P的最小值，a是與LED使用壽命相關(guān)的修正因子，d常量為兩個(gè)LED之間的附加距離，n是附加距離的個(gè)數(shù)，隨LED溫度升高而增加。
[0022]提供一種排布在PCB板上的LED陣列，包括PCB板以及安裝在PCB板上的LED，其特征在于，
[0023]單個(gè)LED距離PCB板邊緣的最小距離為0.1DL，DL為PCB板對(duì)角線的長度；
[0024]相鄰LED之間的距離P=d+a，其中d為附加距離，缺省值為0.5mm, a是與LED使用壽命相關(guān)的修正因子，P的變化范圍下限大于缺省值；
[0025]LED以所述P為間距構(gòu)成三角形形狀的LED陣列排列在PCB板上；
[0026]所述LED陣列相鄰之間的距離沿PCB板的邊緣至中心按照間距D=(S+a)+nd的規(guī)則排布在PCB板上，其中S常量為兩個(gè)LED之間的距離P的最小值，n為附加距離的個(gè)數(shù)，隨LED溫度升高而增加。
[0027]優(yōu)選地，所述修正因子a是用戶設(shè)置的可調(diào)距離，通過調(diào)整修正因子改變LED之間的距離以延長PCB板上LED使用壽命。
[0028]優(yōu)選地，所述PCB板為金屬芯的MCPCB板。
[0029]采用本發(fā)明提出的LED陣列的排布方法及排布在PCB板上的LED陣列，有助于增強(qiáng)PCB板上LED陣列的發(fā)光效率和散熱能力，減少能耗，同時(shí)，由于只需要改變LED陣列的排布方式，本發(fā)明無需改變LED和PCB板的主要生產(chǎn)工藝程序即可應(yīng)用于多種LED-PCB產(chǎn)品。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中:
[0031]圖1是本發(fā)明實(shí)施例的一種LED陣列的排布方法的檢測示意圖；
[0032]圖2是本發(fā)明實(shí)施例的單個(gè)LED在距離PCB板邊緣不同距離情況下的表面溫度變化圖；
[0033]圖3是本發(fā)明實(shí)施例的LED之間間距不同情況下的表面溫度變化圖；
[0034]圖4是本發(fā)明實(shí)施例中對(duì)比實(shí)驗(yàn)的三種不同排布形狀的LED排列示意圖；
[0035]圖5是本發(fā)明實(shí)施例的對(duì)比三種不同排列形狀下LED的邊緣及三維光照示意圖；
[0036]圖6是本發(fā)明實(shí)施例的用作對(duì)比的常用的LED陣列等間距均勻排列示意圖；
[0037]圖7是圖6所示的LED陣列的溫度和光照變化圖；
[0038]圖8是本發(fā)明實(shí)施例的另一用作對(duì)比的中間及兩端LED陣列均勻排列示意圖；
[0039]圖9是圖8所示的LED陣列的溫度和光照變化圖；
[0040]圖10是本發(fā)明實(shí)施例的LED陣列算術(shù)排列示意圖；
[0041 ]圖11是圖10所示的LED陣列的溫度和光照變化圖；
[0042]圖12是本發(fā)明實(shí)施例的LED陣列使用壽命與結(jié)點(diǎn)溫度變化示意圖；
[0043]圖13是本發(fā)明實(shí)施例的方法步驟流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0044]本發(fā)明選取的LED為美國Phi I ips公司生產(chǎn)的商用高品質(zhì)白色LED，選取的LED通過串聯(lián)連接，由Agilent公司的E3632A直流電源提供恒定電流。選取的LED在垂直于發(fā)射面的方向上發(fā)光功率最大，將LED封裝在塑料透鏡里面可擴(kuò)散LED的發(fā)光角度。
[0045]選取的FR4PCB板具有多層薄銅電路層和一層絕緣材料，銅電路層使得PCB板在平面方向的熱傳導(dǎo)性明顯高于穿透平面的方向的熱傳導(dǎo)性。另外可選的PCB板還可以是金屬芯MCPCB板，即具有金屬內(nèi)核的印刷電路板，可利用其高熱傳導(dǎo)性的聚合層降低熱阻抗，兩者相比，由于FR4PCB板成本更低，在考慮成本消耗的前提下，多數(shù)情況下選擇FR4PCB板用于安裝LED，本發(fā)明選取的FR4PCB板的具體型號(hào)為Nelco公司的4000-13EP玻纖環(huán)氧型PCB板，具有銅鋁鍍層的金屬內(nèi)核，其具體材料特性如下:
[0046]版面尺寸:55X 45 X 1.6mm3，
[0047]焊板材質(zhì):35ii m Cu,
[0048]FR4 熱傳導(dǎo)率:0.3ff/m°C，
[0049]鋁5052 熱傳導(dǎo)率:150W/VC，
[0050]銅CllOO 熱傳導(dǎo)率:385 - 400W/VC，
[0051]輸入電流:0.1 - 1.0A，
[0052]氣流速度:恒定氣流(自然流動(dòng))，
[0053]熱轉(zhuǎn)換系數(shù):25W/m2 V，
[0054]環(huán)境溫度:25 °C。
[0055]為了驗(yàn)證本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)，需要對(duì)本發(fā)明的PCB板上的LED陣列的熱特性進(jìn)行檢驗(yàn)。
[0056]如圖1所示，利用紅外探頭記錄LED的表面溫度。I為LED的連接點(diǎn)，用于安裝LED，通過基板2以及焊接層3與PCB板4相連通，選取的紅外熱像儀5，型號(hào)為NEC-TH9100，通過發(fā)射波長為8-14 u m的紅外線探測LED的表面溫度。紅外攝像機(jī)的可用鏡頭為TH91-386。最小溫度探測率為0.06°C，最小空間分辨率為95X95iim2。
[0057]LED封裝在塑料材料之中，根據(jù)發(fā)射率的熱成像表設(shè)置紅外發(fā)射率為0.95，雖然探測點(diǎn)有限，但仍選擇利用熱電偶進(jìn)行測量和校準(zhǔn)，在溫度變化最小時(shí)記錄測得的溫度。最小溫度變化由熱電偶之間的電壓進(jìn)行表征。每隔一分鐘對(duì)溫度進(jìn)行時(shí)長為10分鐘的采樣，將其均值作為測量點(diǎn)的溫度。為了減少LED與PCB板之間接觸面的熱阻抗，選取帶負(fù)載的環(huán)氧銀片，其熱傳導(dǎo)率高達(dá)1.6W/mK。
[0058]如圖13所示，本發(fā)明實(shí)施例的一種PCB板上陣列的排布方法包括如下步驟:
[0059]A.根據(jù)PCB板的材料特性，選擇PCB板；
[0060]B.將LED安裝在所述PCB板上，設(shè)置單個(gè)LED與所述PCB板邊緣之間的最小距離，用以避免LED表面溫度超過允許的最大溫度；
[0061]C.調(diào)整相鄰LED之間的距離P，用以減小LED表面溫度的升高幅度；
[0062]D.在PCB板上將LED按照間距P排列組成三角形LED陣列，用以降低LED陣列之間的由散熱造成的相互作用；
[0063]E.將具有步驟D設(shè)定的所述LED陣列進(jìn)行排列，設(shè)定所述LED陣列之間的距離用以保證所述PCB板上的光照一致。
[0064]具體過程如下:
[0065]A.根據(jù)PCB板的材料特性，選擇PCB板。
[0066]按照常用的等間距排列方式將同樣數(shù)目的LED分別安裝在FR4PCB板和MCPCB板上，恒定電流設(shè)為0.3A，LED之間為串聯(lián)，通過紅外探測測得兩種PCB板的表面溫度分別為:FR4PCB板，760C ；MCPCB板，55°C。FR4PCB板的紅外光譜表明FR4PCB板上LED之間的熱輪廓產(chǎn)生了交叉覆蓋，而MCPCB板則不具備散熱輪廓重疊的現(xiàn)象。因此，安裝在標(biāo)準(zhǔn)的FR4PCB板上的高亮度LED由于其封裝材料的低導(dǎo)熱性，本質(zhì)上由下面的PCB板進(jìn)行散熱。傳統(tǒng)的FR4PCB板的散熱方向?yàn)閱蜗?，而MCPCB板則具備向各個(gè)方向均勻散熱的功能。此外，在恒定電流為0.3A的情況下，MCPCB板上LED之間的壓降值為6.489V，而FR4PCB板則為6.3879V,由此可以得出金屬芯MCPCB板上LED的輸出亮度高于FR4PCB板。因此，選取散熱性能較好的金屬芯MCPCB板有助于提高光電效能。在以提高光電效能及光照強(qiáng)度為主要目的的情況下，優(yōu)選的PCB板為MCPCB板，然而若考慮到經(jīng)濟(jì)原因，F(xiàn)R4PCB板也屬于可選范圍。
[0067]B.將LED安裝在所述PCB板上，設(shè)置單個(gè)LED與所述PCB板邊緣之間的最小距離，用以避免LED表面溫度超過允許的最大溫度。
[0068]如圖2所示，將一個(gè)LED安裝在PCB板的正中心，從PCB板中心沿對(duì)角線方向把此LED在9個(gè)不同位置均勻地安裝，設(shè)定的恒定電流為0.3A，測量得出的LED表面溫度變化，可以得出LED在PCB板中心的表面溫度最低，而角落位置的溫度最高。主要因?yàn)镻CB板的角落位置不能等容量傳遞LED四個(gè)側(cè)面的熱量，因此沿PCB板的中心至角落，LED的散熱輪廓由封閉的均勻輪廓逐漸變?yōu)樯刃屋喞?，而由于在均勻的完整輪廓中散熱效果最佳，因此PCB板中心的LED表面溫度最低。由此證明，PCB板邊緣區(qū)域與LED的距離設(shè)置相當(dāng)重要。
[0069]為了節(jié)約PCB板的空間，本發(fā)明實(shí)施例提供的LED與PCB板邊緣之間的最小距離為0.1DL,DL (diagona line of length)為PCB板對(duì)角線的長度。設(shè)置在0.1DL的最小距離可以避免LED表面溫度升高10%，由此保證LED在運(yùn)行時(shí)不超過其規(guī)定的最高工作溫度。用戶可依據(jù)實(shí)際情況將最小距離設(shè)置為大于或等于0.1DL，進(jìn)而控制LED溫度的升高。值得注意的是，從測得的數(shù)據(jù)可以看出，測得的溫度值與模擬的預(yù)估值之間稍有差異，測量誤差小于5%，其原因除了周圍的電熱損耗以外，還有溫度測量單元的準(zhǔn)確度以及高溫下LED的材料變化等。
[0070]C.調(diào)整相鄰LED之間的距離P，用以減小LED表面溫度的升高幅度。
[0071]如圖3所示，將一個(gè)LED 301固定安裝在PCB板中心，另一個(gè)LED 302則在距離中心LED 0.的范圍內(nèi)浮動(dòng),通過紅外探測可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩個(gè)LED之間的距離為0.5mm時(shí)，表面溫度最高到達(dá)了 159°C，而當(dāng)兩個(gè)LED之間的距離增加至4mm時(shí)，測得的溫度下降了 9%變?yōu)?45°C，根據(jù)測得的溫度變化曲線設(shè)定兩LED之間的距離P=d+a，d為附加距離，為缺省值，大小為0.5mm，a是與LED使用壽命相關(guān)的修正因子，a越大，P越大，LED的使用壽命相對(duì)也會(huì)增加，針對(duì)選取的PCB板材料的不同設(shè)定a的大小，對(duì)于FR4PCB板選取的P為3mm，本發(fā)明實(shí)施例設(shè)定的P值范圍下限大于缺省值，可以得出，a=l.5mm時(shí)，LED表面溫度較最高表面溫度降低了 5%，a=3.5mm時(shí)，LED表面溫度降低了 9%，本發(fā)明a的值可以依據(jù)用戶自身的需要以及對(duì)光照的需求進(jìn)行調(diào)整，不限定于上述數(shù)值。
[0072]D.在PCB板上將LED按照間距P排列組成三角形LED陣列，用以降低LED陣列之間的由散熱造成的相互作用。
[0073]如圖4所示，本發(fā)明的實(shí)施例選取了 4-a正方形、4_b六邊形和4_c三角形三種不同的形狀進(jìn)行對(duì)比。
[0074]將上述三種情況下兩個(gè)LED之間的距離設(shè)置為相等，LED使用壽命修正因子也設(shè)置相同，分別將9、7、8個(gè)LED按照正方形、六邊形和三角形的柵格形狀排布在相同大小的PCB板上組成柵格單元。盡管設(shè)置的柵格單元內(nèi)LED個(gè)數(shù)不同，所述的三個(gè)柵格單元均為不同熱負(fù)荷條件下便于比較的基本形狀單元。各形狀柵格內(nèi)的LED之間均為串聯(lián)連接，控制相同大小的電流通過所有的LED。分別將三種形狀柵格中心的LED進(jìn)行編號(hào)，其中正方形柵格中心LED編號(hào)為S5 ;六邊形柵格中心LED編號(hào)為H4 ;三角形柵格中心LED編號(hào)為T5。通過測量三個(gè)中心LED的表面溫度、電壓以及光輸出比較三種形狀柵格的優(yōu)劣。
`[0075]首先，平均間隔的正方形排是LED封裝冷卻設(shè)置的常用選擇。然而，測得的數(shù)據(jù)表明其中心LED S5的平均溫度高達(dá)109°C。分布在正方形四個(gè)角上的LED的溫度經(jīng)檢測表明為最低，值為98°C，可能的原因?yàn)橹車膶?duì)稱冷卻系統(tǒng)設(shè)置，剩余的四個(gè)LED的溫度測得為105°C左右，結(jié)果表明剩余四個(gè)LED溫度較高的原因可能是LED之間熱量的重疊。
[0076]相比于正方形柵格中心LED S5，六邊形中心LED H4的溫度較低，為102°C。
[0077]而三角形柵格中心LED T5的溫度僅為96°C，是三種形狀的柵格中最低的。
[0078]結(jié)果表明，優(yōu)化的LED排列形狀可以減少LED的表面溫度，進(jìn)而降低LED陣列之間相互的由熱量產(chǎn)生的相互影響。
[0079]此外,如下表所不，通過測量中心LED的電壓和光輸出量可以看出，與S5、H4相比，T5具有最高的電壓值和光輸出量。
[0080]
柵格陣列正方形六邊形三角形
LED 編號(hào)S5H4T5
LED 電壓(V)3~063^8
光輸出量(Iux)423454463[0081]如圖5所示，根據(jù)測得的三種形狀柵格的三維光輸出量顯示圖可以看出，5-a正方形、5-b六邊形、5-c三角形三種形狀柵格的最低/最高光輸出量分別為:正方形1970/23901ux，六邊形2050/24501ux，三角形2130/25101ux。三種柵格的光照不一致度分別為9.6%，8.8%，8.2%。以上結(jié)果表明將LED陣列由正方形柵格到三角形柵格的優(yōu)化可以將光照的一致性提高1.4%。
[0082]盡管，本發(fā)明實(shí)施例的LED陣列中LED的排列形狀為三角形，其LED密度處于正方形和六邊形之間，但三角形柵格是LED陣列排布的最佳選擇，通過三角形排列方法可以獲得最低的表面溫度、最高光輸出以及最好的光照一致性。
[0083]E.將具有步驟D設(shè)定的所述LED陣列進(jìn)行排列，設(shè)定所述LED陣列之間的距離用以保證所述PCB板上的光照一致。
[0084]如果LED陣列之間的距離設(shè)置得太小將影響特定區(qū)域的光照一致性，主要是因?yàn)榫嚯x太小引發(fā)的表面溫度升高會(huì)引發(fā)LED上的電壓降低，相應(yīng)的產(chǎn)生的功率也將減少。設(shè)定輸入電流為恒流，LED陣列之間的間距改變，相應(yīng)的功率消耗發(fā)生變化。通過設(shè)定不同的間距，對(duì)比檢測出光照一致時(shí)的LED陣列之間的距離。
[0085]采用規(guī)格為200mmX 30mmX 1.6mm的FR4PCB板，將9組LED陣列安裝在該P(yáng)CB板上，設(shè)定恒定電流為0.3A。
[0086]通常情況采用等間距排列的形式排列LED陣列，如圖6所示，將9個(gè)LED陣列順序編號(hào)為1-9，9個(gè)LED陣列均勻安裝在PCB板上，相鄰兩LED陣列之間的距離用S表示，其中LED5安裝在PCB板中央距離邊緣最遠(yuǎn)IOcm處，設(shè)置編號(hào)1_9的9個(gè)測量點(diǎn)，相鄰測量點(diǎn)之間的距離設(shè)為23mm，各測量點(diǎn)對(duì)應(yīng)A1-A9的光照區(qū)域。
[0087]如圖7所不，由于對(duì)稱原則，處于中間位置的LED陣列LED5具有最高的表面溫度和較低的照度。根據(jù)測量的最大照度可以推測出在該排列方式下LED陣列的規(guī)范化照度。由測量結(jié)果可以看出LED陣列的照度在中間及兩端存在下降現(xiàn)象，中間位置照度下降的原因?yàn)長ED陣列的電壓降低，而兩端照度則主要受LED陣列的分布不均一的影響。將LED陣列中LED之間的距離設(shè)為3mm，平均照度為85%以上的區(qū)域定為有效光照區(qū)域，檢測得出有效光照區(qū)域的長度為150mm，光照不一致度為4.8%。
[0088]如圖8所示，為了統(tǒng)一中間及兩端的間距，將距離最近的兩個(gè)LED陣列之間的距離設(shè)為S/2，在PCB板的兩端及中心位置分別設(shè)置三個(gè)中心區(qū)域分別安裝LED陣列在LED2，LED5 和 LED8。
[0089]如圖9所示的測量結(jié)果，表面溫度的變化帶動(dòng)了照度的起伏。同時(shí)測量得出有效光照區(qū)域的長度為增加至159_，然而光照不一致度仍有起伏，由此可以看出，溫度不均勻引發(fā)LED電壓的下降。
[0090]為了改善以上兩種排列方法中LED陣列表面溫度不均勻的缺點(diǎn)，本發(fā)明的實(shí)施例的LED陣列的算術(shù)間距設(shè)置方法如下:
[0091]如圖10所示，LED陣列之間的距離表示為D= (S+a) +nd,其中S為LED間距離的最小值，a是與LED使用壽命相關(guān)的修正因子，d為附加距離，本實(shí)施例默認(rèn)d值為2mm，n為附加距離的個(gè)數(shù)，n隨溫度升高而增加，LED5位于PCB板中間位置，LED6與LED5之間的距離為(S+a) +4d, LED7與LED6之間的距離為(S+a) +3d, n逐次遞減至1，即LED8與LED9之間的距離為(S+a) +d，9個(gè)LED陣列對(duì)稱排列，因此LED1-LED4的排列規(guī)則與LED6-LED9相同。
[0092]如圖10所示，9個(gè)測量點(diǎn)的溫度變化很小，進(jìn)而各LED陣列之間熱效應(yīng)產(chǎn)生的相互影響也較小，因此各測量點(diǎn)的照度接近一致。各LED的光輸出及電壓也比較接近。測量得出的有效光照區(qū)域長度為167mm，且光照不一致度也很小，值僅為2.1%，由此可以獲得統(tǒng)一的光照強(qiáng)度。
[0093]上述實(shí)施例的測量結(jié)果表明結(jié)合LED的三角形排列及LED陣列的算術(shù)距離設(shè)置的PCB板上LED陣列組建的排布方法能獲得最大的光輸出量和最高的光照一致性，同時(shí)由于電功率轉(zhuǎn)換成熱量最小因而LED表面溫度也最低。本發(fā)明有助于設(shè)置LED-PCB產(chǎn)品使用周期內(nèi)的節(jié)能基準(zhǔn)。
[0094]此外，選取算術(shù)排列方法有助于延長LED的使用壽命。
[0095]使用傳統(tǒng)的等間距排列方法測得中央LED陣列中LED5，在0.35A的電流下LED表面溫度為135°C，LED結(jié)點(diǎn)溫度可由下列公式獲得:
[0096]Tj = Tc+P 0 Jc
[0097]其中，Tj=LED結(jié)點(diǎn)溫度(°C )，Tc=LED表面溫度(°C )，P=驅(qū)動(dòng)功率(W)，0 Jc=LED結(jié)點(diǎn)溫度與LED表面溫度之間的熱阻抗(°C /W)。
[0098]設(shè)LED結(jié)點(diǎn)溫度與LED表面溫度之間的熱阻抗為25°C /W，驅(qū)動(dòng)功率的大小為1W，計(jì)算得出結(jié)點(diǎn)溫度Tj為171°C。
[0099]如圖12所示為LED使用壽命與LED結(jié)點(diǎn)溫度之間的關(guān)系。由此可以得出等間距排列方法下171°C的結(jié)點(diǎn)溫度對(duì)應(yīng)的使用壽命時(shí)長為36000小時(shí)，圖中的B50L70表示所選取的LED的性能特征，B50表示預(yù)計(jì)LED的使用時(shí)長總量的50%無效，L70表示LED的光通維持率為70%。而利用步驟E的算術(shù)排列方法安裝的LED陣列中，相同電流下，LED5的表面溫度為124°C，計(jì)算得出的LED結(jié)點(diǎn)溫度為149°C，相應(yīng)的使用壽命時(shí)長為60000小時(shí)，相比傳統(tǒng)排列方法，采用本發(fā)明的LED排布方法使得LED的使用壽命延長了 24000小時(shí)。因此，用戶可以根據(jù)需要設(shè)置PCB板上LED陣列的使用時(shí)長對(duì)LED陣列間距的調(diào)整稱為LED使用壽命的修正因子a。本發(fā)明實(shí)施例中通過調(diào)節(jié)修正因子a的大小改變LED在LED陣列之間的距離，例如a=0時(shí)，LED間距P=0.5mm,中心LED表面溫度測得為159°C，將a調(diào)整至1.5mm,中心LED表面溫度下降5%，繼續(xù)增大a至3.5mm,則LED間距變?yōu)?mm，中心LED表面溫度下降9%為145C，由此LED在使用過程中表面溫度得以降低，LED的使用壽命得以延長，從圖12的測量結(jié)果可以看出本發(fā)明實(shí)施例中，本發(fā)明的LED陣列間距使得LED管的使用壽命延長至60000小時(shí)，用戶還可根據(jù)自身的需要以及對(duì)光照的需求對(duì)a進(jìn)行選取。
[0100]將本發(fā)明提供的PCB板上LED陣列的排布方法應(yīng)用于傳統(tǒng)的FR4PCB板，也可明顯增強(qiáng)LED陣列的散熱能力。
[0101]利用本發(fā)明所述的LED陣列的排布方法設(shè)計(jì)的排布在PCB板上的LED陣列具有與方法相應(yīng)的特點(diǎn)，能促進(jìn)LED陣列在PCB板上的散熱和提高LED陣列在PCB板上的光照一致性。
[0102]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換或改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種LED陣列的排布方法，用于提高PCB板上LED統(tǒng)一照度并促進(jìn)散熱，其特征在于，包括以下步驟: A.根據(jù)PCB板的材料特性，選擇PCB板； B.將LED安裝在所述PCB板上，設(shè)置單個(gè)LED與所述PCB板邊緣之間的最小距離，用以避免LED表面溫度超過允許的最大溫度； C.調(diào)整相鄰LED之間的距離P，用以減小LED表面溫度的升高幅度； D.在PCB板上將LED按照間距P排列組成三角形LED陣列，用以降低LED陣列之間由散熱造成的相互作用； E.將具有步驟D設(shè)定的所述LED陣列進(jìn)行排列，設(shè)定所述LED陣列之間的距離用以保證所述PCB板上的光照一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種LED陣列的排布方法，其特征在于，所述步驟A選擇的PCB材料為金屬芯的MCPCB板及FR4PCB板。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種LED陣列的排布方法，其特征在于，所述步驟B進(jìn)一步包括，所述最小距離> 0.1DL，其中DL為所述PCB板對(duì)角線的長度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種LED陣列的排布方法，其特征在于，所述步驟C包括，相鄰LED之間的距離P=d + a,其中，d常量為LED之間的附加距離，a是與LED使用壽命相關(guān)的修正因子。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種LED陣列的排布方法，其特征在于，所述LED之間的附加距離d的缺省值為0.5mm，所述LED之間的距離P設(shè)定的范圍下限大于所述缺省值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種LED陣列的排布方法，其特征在于，所述步驟E進(jìn)一步包括，從PCB板邊緣至中心，相鄰所述LED陣列之間的距離D根據(jù)以下公式進(jìn)行設(shè)定:
D= (S + a) + nd 其中，S常量為兩個(gè)LED之間距離P的最小值，a是與LED使用壽命相關(guān)的修正因子，d常量為兩個(gè)LED之間的附加距離，n是附加距離的個(gè)數(shù)，n隨LED溫度升高而增加。
7.一種排布在PCB板上的LED陣列，包括PCB板以及安裝在PCB板上的LED，其特征在于， 單個(gè)LED距離PCB板邊緣的最小距離為0.1DL，DL為PCB板對(duì)角線的長度； 相鄰LED之間的距離P=d + a，其中d為附加距離，缺省值為0.5mm, a是與LED使用壽命相關(guān)的修正因子，P的變化范圍下限大于缺省值； LED以所述P為間距構(gòu)成三角形形狀的LED陣列排列在PCB板上； 所述LED陣列從PCB板邊緣至中心，相鄰LED陣列按照間距D= (S + a) + nd的規(guī)則排布在PCB板上，其中S常量為兩個(gè)LED之間的距離P的最小值，n為附加距離的個(gè)數(shù)，隨LED溫度升高而增加。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種排布在PCB板上的LED陣列，其特征在于，所述修正因子a是由用戶設(shè)置的可調(diào)距離，通過調(diào)整修正因子改變LED之間的距離以延長PCB板上LED的使用壽命。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種排布在PCB板上的LED陣列，其特征在于，所述PCB板為金屬芯的MCPCB板及FR4PCB板。
【文檔編號(hào)】H01L33/62GK103730559SQ201210382253
【公開日】2014年4月16日 申請(qǐng)日期:2012年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2012年10月10日
【發(fā)明者】容錦泉, 林海明, 蔡恒生 申請(qǐng)人:香港理工大學(xué)