LED散熱知識大全

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  LED散熱*概述

  LED照明由于其節電、環保、長壽命,而被公認為下一帶照明技術,將取代現有的各種照明技術。一般而言,LED發光時所產生的熱能若無法導出,將會使LED結面溫度過高,進而影響產品生命周期、發光效率、穩定性。LED為冷光源,怕熱,有80%之多的電能轉化為熱能,必須有散熱措施,雖然LED發光技術已有飛躍發展,有每瓦發光達200lm的報道,但LED散熱卻是LED照明中非常頭痛,但又還沒得到有效解決的問題,成了LED照明燈普及發展道路上的攔路虎。

  LED*結溫的原因

  LED發熱的原因是因為所加入的電能并沒有全部轉化為光能,而是一部分轉化成為熱能。LED的光效目前只有100lm/W,其電光轉換效率大約只有20~30%左右。也就是說大約70%的電能都變成了熱能。具體來說,LED結溫的產生是由于兩個因素所引起的。

  1.內部量子效率不高,也就是在電子和空穴復合時,并不能100%都產生光子,通常稱為由“電流泄漏”而使PN區載流子的復合率降低。泄漏電流乘以電壓就是這部分的功率,也就是轉化為熱能,但這部分不占主要成分,因為現在內部光子效率已經接近90%。

  2.內部產生的光子無法全部射出到芯片外部而*后轉化為熱量,這部分是主要的,因為目前這種稱為外部量子效率只有30%左右,大部分都轉化為熱量了。 雖然白熾燈的光效很低,只有15lm/W左右,但是它幾乎將所有的電能都轉化為光能而輻射出去,因為大部分的輻射能是紅外線,所以光效很低,但是卻免除了散熱的問題。

  LED散熱*意義

  •LED的熱性能直接影響其:

  •1、發光效率-溫度上升,光效降低。

  •2、主波長-溫度上升,藍光向短波長漂移,其它顏色向長波長的漂移(紅移)。

  •3、相關色溫(CCT)-溫度上升,白光的相關色溫升高,其它顏色的相關色溫降低。

  •4、正向電壓-溫度上升,正向電壓降低。

  •5、反向電流-溫度上升,反向電流增大。

  •6、熱應力-溫度上升,熱應力增大。

  •7、器件的使用壽命-溫度上升,器件的使用壽命減短。

  •8、如果LED封裝有熒光粉,環氧樹脂等,溫度的上升還將導致這些材料發生劣化。

  除此以外LED的發熱還會使得其光譜移動;色溫升高;正向電流增大(恒壓供電時);反向電流也增大;熱應力增高;熒光粉環氧樹脂老化加速等等種種問題,所以說,LED的散熱是LED燈具的設計中*為重要的一個問題。

  LED散熱*解決途徑

  一、型材散熱

  熱量傳遞基本方式:熱傳導、熱對流、熱輻射。熱傳導和對流需要借助介質進行,而熱輻射則不需要(如真空中)。LED芯片的特點是在極小的體積內產生極高的熱量。而LED本身的熱容量很小,所以必須以*快的速度把這些熱量傳導出去,否則就會產生很高的結溫。為了盡可能地把熱量引出到芯片外面,人們在LED的芯片結構上進行了很多改進。 為了改善LED芯片本身的散熱,其*主要的改進就是采用導熱更好的襯底材料。LED晶?;逯饕亲鳛長ED 晶粒與系統電路板之間熱能導出的媒介,藉由打線、共晶或覆晶的制程與LED 晶粒結合。而基于散熱考量,目前市面上LED晶?;逯饕蕴沾苫鍨橹?,以線路備制方法不同約略可區分為:厚膜陶瓷基板、低溫共燒多層陶瓷、以及薄膜陶瓷基板三種,在傳統高功率LED元件,多以厚膜或低溫共燒陶瓷基板作為晶粒散熱基板,再以打金線方式將LED晶粒與陶瓷基板結合。如前言所述,此金線連結 限制了熱量沿電極接點散失之效能。因此,近年來,國內外大廠無不朝向解決此問題而努力。其解決方式有二,其一為尋找高散熱系數之基板材料,以取代氧化鋁,包含了矽基板、碳化矽基板、陽極化鋁基板或氮化鋁基板,其中矽及碳化矽基板之材料半導體特性,使其現階段遇到較嚴苛的考驗,而陽極化鋁基板則因其陽極化氧 化層強度不足而容易因碎裂導致導通,使其在實際應用上受限,因而,現階段較成熟且普通接受度較高的即為以氮化鋁作為散熱基板;然而,目前受限于氮化鋁基板 不適用傳統厚膜制程(材料在銀膠印刷后須經850℃大氣熱處理,使其出現材料信賴性問題),因此,氮化鋁基板線路需以薄膜制程備制。以薄膜制程備制之氮化鋁基板大幅加速了熱量從LED晶粒經由基板材料至系統電路板的效能,因此大幅降低熱量由LED晶粒經由金屬線至系統電路板的負擔,進而達到高熱散的效果。

  另一種熱散的解決方案為將LED晶粒與其基板以共晶或覆晶的方式連結,如此一來,大幅增加經由電極導線至系統電路板之散熱效率。然而此制程對于基板的布線精確度與基板線路表面平整度要求極高,這使得厚膜及低溫共燒陶瓷基板的精準度受制程網版張網問題及燒結收縮比例問題而不敷使用?,F階段多以導入薄膜陶瓷基 板,以解決此問題。薄膜陶瓷基板以黃光微影方式備制電路,輔以電鍍或化學鍍方式增加線路厚度,使得其產品具有高線路精準度與高平整度的特性。共晶/覆晶制 程輔以薄膜陶瓷散熱基板勢必將大幅提升LED的發 光功率 與產品壽命。近年來,由于鋁基板的開發,使得系統電路板的散熱問題逐漸獲得改善,甚而逐漸往可撓曲之軟式電路板開發。另一方面,LED晶?;逡嘀鸩匠蚪档推錈嶙璺较蚺?。

  現在市面上流行的散熱方法,把鋁型材做成太陽花,梳子形等造型。把芯片固定到散熱器底部,利用金屬的導熱性把熱傳導到鰭片上,靠空氣對流把熱量帶走??墒俏覀円遣楸淼脑挄l現,鋁的散熱性能好,但是導熱性能一般,也就是有些人會遇到這樣的情況:散熱器底部和頂部的溫差大。那我們為什么不用導熱性能好的材質呢?比鋁導熱性能好的材質有銅和銀,可是參考性價比,鋁是*合適的。對于小功率來說,鋁可以做到散熱,但對于大功率來說,鋁的散熱效率就不夠了。所以就出現了加風扇強制散熱和熱管技術。

  二、解決封裝的散熱問題才是根本方法

  由于增加電力反而會造成封裝的熱阻抗急遽降至10K/W以下,因此國外業者曾經開發耐高溫白光LED試圖通過此種方法改善上述問題,然而實際上大功率LED的發熱量卻比小功率LED高數十倍以上,而且溫度升高還會使發光效率大幅下跌,即使封裝技術允許高熱量,不過LED芯片的接合溫度卻有可能超過容許值,*后業者終于領悟到解決封裝的散熱問題才是根本方法。

  有關LED的使用壽命,例如改用硅質封裝材料與陶瓷封裝材料,能使LED的使用壽命提高一位數,尤其是白光LED的發光頻譜含有波長低于450nm短波長光線,傳統環氧樹脂封裝材料極易被短波長 光線破壞,高功率白光LED的大光量更加速封裝材料的劣化,根據業者測試結果顯示連續點燈不到一萬小時,高功率白光LED的亮度已經降低一半以上,根本無法滿足照明光源長壽命的基本要求。

  有關LED的發光效率,改善芯片結構與封裝結構,都可以達到與低功率白光LED相同水平,主要原因是電流密度提高2倍以上時,不但不容易從大型芯片取出光線,結果反而會造成發光效率不如低功率白光LED的窘境,如果改善芯片的電極構造,理論上就可以解決上述取光問題。

  三、設法減少熱阻抗、改善散熱問題

  有關發光特性均勻性,一般認為只要改善白光LED的熒光體材料濃度均勻性與熒光體的制作技術,應該可以克服上述困擾。如上所述提高施加電力的同時,必需設法減少熱阻抗、改善散熱問題,具體內容分別是:降低芯片到封裝的熱阻抗、抑制封裝至印刷電路基板的熱阻抗、提高芯片的散熱順暢性。

  為了要降低熱阻抗,許多國外LED廠商將LED芯片設在銅與陶瓷材料制成的散熱器(heat sink)表面,接著再用焊接方式將印刷電路板上散熱用導線,連接到利用冷卻風扇強制空冷的散熱器上,根據德國OSRAM Opto Semiconductors Gmb實驗結果證實,上述結構的LED芯片到焊接點的熱阻抗可以降低9K/W,大約是傳統LED的1/6左右,封裝后的LED施加2W的電力時,LED芯片的接合溫度比焊接點高18K,即使印刷電路板溫度上升到500C,接合溫度頂多只有700C左右;相較之下以往熱阻抗一旦降低的話,LED芯片的接合溫度就會受到印刷電 路板溫度的影響,如此一來必須設法降低LED芯片的溫度,換句話說降低LED芯片到焊接點的熱阻抗,可以有效減輕LED芯片降溫作業的負擔。反過來說即使白光LED具備抑制熱阻抗的結構,如果熱量無法從封裝傳導到印刷電路板的話,LED溫度上升的結果發光效率會急遽下跌,因此松下電工開發印刷電路板與封裝一體化技術,該公司將1mm正方的藍光LED以flip chip方式封裝在陶瓷基板上,接著再將陶瓷基板粘貼在銅質印刷電路板表面,根據松下表示包含印刷電路板在內模塊整體的熱阻抗大約是15K/W左右。

  LED散熱*主要技術

  依據不同的封裝技術,其散熱方法亦有所不同,而 LED 各種散熱途徑方法約略以下幾種:

  1、從空氣中散熱

  2. 熱能直接由System circuit board導出

  3. 經由金線將熱能導出

  4. 若為共晶及Flip chip制程,熱能將經由通孔至系統電路板而導出

  普通說來按照從散熱器帶走熱量的方法可以將散熱器分為自動式散熱和被動式散熱。所謂的被動式散熱是指經過散熱片將熱源LED光源熱量天然分發到空氣中其散熱的結果與散熱片巨細成正比但由于是天然分發熱量結果當然大打扣頭經常用在那些對空間沒有要求的設備中或許用于為發燒量不大的部件散熱如局部普及型主板在北橋上也接納被動式散熱絕大大都接納自動式散熱式自動式散熱就是經過電扇等散熱設備強迫性地將散熱片宣布的熱量帶走其特點是散熱效率高并且設備體積小。 自動式散熱從散熱方法上細分可以分為風冷散熱、液冷散熱、熱管散熱、半導體系體例冷、化學制冷等等。當前LED主要散熱技術如如下:

  1、鋁擠壓技術

  一般常用的鋁擠型材料為 AL6063,其具有良好熱傳導率(約200 W/m.K)與加工性。 優缺點:易加工,成本低,技術成熟。缺點是安裝受限較多,易變形。注:未經氧化處理的鋁易自然腐蝕,導致導熱率下降。

  2、鋁壓鑄技術

  一般常用的壓鑄型鋁合金為ADC12,適用于做薄鑄件,但熱傳導率較差(約 96 W/m.K)。 優缺點:可進行一體化無隙設計,防水效果較好。缺點是模具費用較高,散熱效果一般,燈體較笨重

  3、加風扇強制散熱

  由于現在的集成芯片和電腦的CPU很相似,所以,把風扇加到散熱器上就應運而生了。加上風扇之后,散熱效果有一定的改善,但是由于鋁本身的導熱速率不高,導致散熱效率提高并不是很多,也不能解決大功率散熱的要求。而且風扇還有一個致命的缺點:大功率照明所處的環境普遍比較惡劣,風扇的可靠性令人堪憂。路燈,工礦燈,碼頭燈等,風吹,日曬,雨淋,粉塵,腐蝕,風扇抗的住嗎?現在LED燈一般都號稱10萬小時,大約是11年。大家都見過CPU散熱器的風扇,2年以后,大功率LED散熱器的風扇真的還能用嗎?結論想必大家都已經知道了。另外,LED是節能產品,可是散熱方面又再次耗能,這將使LED失去節能的優勢。

  4、風涼風冷散熱

  風涼風冷散熱是*經常見的散熱方法比較而言也是較廉價的方法。風冷散熱從本質上講就是運用電扇帶走散熱器所接收的熱量。具有價錢相對較低裝置便利等長處。但對情況依靠比擬高例如氣溫升高以及超頻時其散熱功能就會大受影響。

  5、液冷

  液冷散熱是經過液體在泵的帶動下強迫輪回帶走散熱器的熱量與風冷比擬具有恬靜、降溫不變、對情況依靠小等等長處。液冷的價錢相對較高并且裝置也相對費事一些。還裝置時盡量依照仿單指點的辦法裝置才干取得*佳的散熱結果。出于本錢及易用性的思索液冷散熱凡間采用水做為導熱液體因而液冷散熱器也經常被稱為水冷散熱器。

  6、熱管

  熱管的原理很簡單,就是相變技術。所謂相變就是液→氣→液的循環變化過程。我們知道,液體——以水為例,吸熱變為氣體,氣態水放熱變為液態水。熱管就是利用這一吸一放來傳遞熱量的。一般的熱管是用銅來做,銅的導熱速率高,散熱速率低,把熱量導出來,可是散不出去。于是就有了銅鋁結合的熱柱。銅的導熱速率高,用來導熱;鋁的散熱效率高,用鋁來散熱。這樣的組合貌似天衣無縫,實則缺陷很多。首先**個就是銅鋁的結合問題,稍微知道點化學知識的人都知道,銅和鋁的熔點不一樣,是不可能焊接到一起的。那么只能粘合,這樣的話極易出問題,也就是可靠性不佳。其二,熱管有取熱極限,一旦管內沸騰,熱管就極有可能爆掉。這些缺點使得熱管非常不可靠。

  熱管屬于一種傳熱元件它充沛應用了熱傳導道理與致冷介質的疾速???傳遞性質經過在全封鎖真空管內的液體的蒸發與凝聚來傳遞熱量具有極高的導熱性、優越的等溫性、冷熱兩側的傳熱面積可恣意改動、可遠間隔傳熱、可節制溫度等一系列長處而且由熱管構成的換熱用具有傳熱效率高、構造緊湊、流體阻損小等長處。其導熱才能已遠遠超越任何已知金屬的導熱才能。一般采用熱管加fin片的形式。Fin片材質一般是AA1050(AL,約200 W/m.K)或c1100(cu,約400 W/m.K ),導熱管材質結構復雜,具有幾乎**的熱傳導率(約80000~110000 W/m.K)。 優缺點:良好的散熱效果,重量輕。缺點是對空間有一定要求,不能承受較大力度沖擊,成本較高。

  7、半導體系體例冷

  半導體系體例冷就是應用一種特制的半導體系體例冷片在通電時發生溫差來制冷只需高溫端的熱量能有用的分發失落則低溫端就不時的被冷卻。在每個半導體顆粒上都發生溫差一個制冷片由幾十個如許的顆粒串聯而成然后在制冷片的兩個外表構成一個溫差。應用這種溫差景象共同風冷/水冷對高溫端進行降溫能獲得優異的散熱結果。半導體系體例冷具有制冷溫度低、牢靠性**長處冰臉溫度可以到達零下10℃以下然則本錢太高并且能夠會因溫渡過低招致形成短路并且目前半導體系體例冷片的工藝也不成熟不敷適用。

  8、化學制冷

  所謂化學制冷就是運用一些超低溫化學物質應用它們在消融的時分接收很多的熱量來降低溫度。這方面以運用干冰和液氮較為經常見。比方運用干冰可以將溫度降低到零下20℃以下還有一些更“失常”的玩家應用液氮將CPU溫度降到零下100℃以下(理論上)當然因為價錢昂貴和繼續工夫太短這個辦法多見于實行室或極端的超頻喜好者。

  9、其他新型散熱技術:

  a、SynJet替代風扇b、均熱板技術 c、離子風散熱技術 d、PDC 熱處理材料 e、納米碳球應用于輻射散熱技術

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