LED散热知识大全

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  LED散热*概述

  LED照明由于其节电、环保、长寿命,而被公认为下一带照明技术,将取代现有的各种照明技术。一般而言,LED发光时所产生的热能若无法导出,将会使LED结面温度过高,进而影响产品生命周期、发光效率、稳定性。LED为冷光源,怕热,有80%之多的电能转化为热能,必须有散热措施,虽然LED发光技术已有飞跃发展,有每瓦发光达200lm的报道,但LED散热却是LED照明中非常头痛,但又还没得到有效解决的问题,成了LED照明灯普及发展道路上的拦路虎。

  LED*结温的原因

  LED发热的原因是因为所加入的电能并没有全部转化为光能,而是一部分转化成为热能。LED的光效目前只有100lm/W,其电光转换效率大约只有20~30%左右。也就是说大约70%的电能都变成了热能。具体来说,LED结温的产生是由于两个因素所引起的。

  1.内部量子效率不高,也就是在电子和空穴复合时,并不能100%都产生光子,通常称为由“电流泄漏”而使PN区载流子的复合率降低。泄漏电流乘以电压就是这部分的功率,也就是转化为热能,但这部分不占主要成分,因为现在内部光子效率已经接近90%。

  2.内部产生的光子无法全部射出到芯片外部而最后转化为热量,这部分是主要的,因为目前这种称为外部量子效率只有30%左右,大部分都转化为热量了。 虽然白炽灯的光效很低,只有15lm/W左右,但是它几乎将所有的电能都转化为光能而辐射出去,因为大部分的辐射能是红外线,所以光效很低,但是却免除了散热的问题。

  LED散热*意义

  •LED的热性能直接影响其:

  •1、发光效率-温度上升,光效降低。

  •2、主波长-温度上升,蓝光向短波长漂移,其它颜色向长波长的漂移(红移)。

  •3、相关色温(CCT)-温度上升,白光的相关色温升高,其它颜色的相关色温降低。

  •4、正向电压-温度上升,正向电压降低。

  •5、反向电流-温度上升,反向电流增大。

  •6、热应力-温度上升,热应力增大。

  •7、器件的使用寿命-温度上升,器件的使用寿命减短。

  •8、如果LED封装有荧光粉,环氧树脂等,温度的上升还将导致这些材料发生劣化。

  除此以外LED的发热还会使得其光谱移动;色温升高;正向电流增大(恒压供电时);反向电流也增大;热应力增高;荧光粉环氧树脂老化加速等等种种问题,所以说,LED的散热是LED灯具的设计中最为重要的一个问题。

  LED散热*解决途径

  一、型材散热

  热量传递基本方式:热传导、热对流、热辐射。热传导和对流需要借助介质进行,而热辐射则不需要(如真空中)。LED芯片的特点是在极小的体积内产生极高的热量。而LED本身的热容量很小,所以必须以最快的速度把这些热量传导出去,否则就会产生很高的结温。为了尽可能地把热量引出到芯片外面,人们在LED的芯片结构上进行了很多改进。 为了改善LED芯片本身的散热,其最主要的改进就是采用导热更好的衬底材料。LED晶粒基板主要是作为LED 晶粒与系统电路板之间热能导出的媒介,藉由打线、共晶或覆晶的制程与LED 晶粒结合。而基于散热考量,目前市面上LED晶粒基板主要以陶瓷基板为主,以线路备制方法不同约略可区分为:厚膜陶瓷基板、低温共烧多层陶瓷、以及薄膜陶瓷基板三种,在传统高功率LED元件,多以厚膜或低温共烧陶瓷基板作为晶粒散热基板,再以打金线方式将LED晶粒与陶瓷基板结合。如前言所述,此金线连结 限制了热量沿电极接点散失之效能。因此,近年来,国内外大厂无不朝向解决此问题而努力。其解决方式有二,其一为寻找高散热系数之基板材料,以取代氧化铝,包含了矽基板、碳化矽基板、阳极化铝基板或氮化铝基板,其中矽及碳化矽基板之材料半导体特性,使其现阶段遇到较严苛的考验,而阳极化铝基板则因其阳极化氧 化层强度不足而容易因碎裂导致导通,使其在实际应用上受限,因而,现阶段较成熟且普通接受度较高的即为以氮化铝作为散热基板;然而,目前受限于氮化铝基板 不适用传统厚膜制程(材料在银胶印刷后须经850℃大气热处理,使其出现材料信赖性问题),因此,氮化铝基板线路需以薄膜制程备制。以薄膜制程备制之氮化铝基板大幅加速了热量从LED晶粒经由基板材料至系统电路板的效能,因此大幅降低热量由LED晶粒经由金属线至系统电路板的负担,进而达到高热散的效果。

  另一种热散的解决方案为将LED晶粒与其基板以共晶或覆晶的方式连结,如此一来,大幅增加经由电极导线至系统电路板之散热效率。然而此制程对于基板的布线精确度与基板线路表面平整度要求极高,这使得厚膜及低温共烧陶瓷基板的精准度受制程网版张网问题及烧结收缩比例问题而不敷使用。现阶段多以导入薄膜陶瓷基 板,以解决此问题。薄膜陶瓷基板以黄光微影方式备制电路,辅以电镀或化学镀方式增加线路厚度,使得其产品具有高线路精准度与高平整度的特性。共晶/覆晶制 程辅以薄膜陶瓷散热基板势必将大幅提升LED的发 光功率 与产品寿命。近年来,由于铝基板的开发,使得系统电路板的散热问题逐渐获得改善,甚而逐渐往可挠曲之软式电路板开发。另一方面,LED晶粒基板亦逐步朝向降低其热阻方向努力。

  现在市面上流行的散热方法,把铝型材做成太阳花,梳子形等造型。把芯片固定到散热器底部,利用金属的导热性把热传导到鳍片上,靠空气对流把热量带走。可是我们要是查表的话会发现,铝的散热性能好,但是导热性能一般,也就是有些人会遇到这样的情况:散热器底部和顶部的温差大。那我们为什么不用导热性能好的材质呢?比铝导热性能好的材质有铜和银,可是参考性价比,铝是最合适的。对于小功率来说,铝可以做到散热,但对于大功率来说,铝的散热效率就不够了。所以就出现了加风扇强制散热和热管技术。

  二、解决封装的散热问题才是根本方法

  由于增加电力反而会造成封装的热阻抗急遽降至10K/W以下,因此国外业者曾经开发耐高温白光LED试图通过此种方法改善上述问题,然而实际上大功率LED的发热量却比小功率LED高数十倍以上,而且温度升高还会使发光效率大幅下跌,即使封装技术允许高热量,不过LED芯片的接合温度却有可能超过容许值,最后业者终于领悟到解决封装的散热问题才是根本方法。

  有关LED的使用寿命,例如改用硅质封装材料与陶瓷封装材料,能使LED的使用寿命提高一位数,尤其是白光LED的发光频谱含有波长低于450nm短波长光线,传统环氧树脂封装材料极易被短波长 光线破坏,高功率白光LED的大光量更加速封装材料的劣化,根据业者测试结果显示连续点灯不到一万小时,高功率白光LED的亮度已经降低一半以上,根本无法满足照明光源长寿命的基本要求。

  有关LED的发光效率,改善芯片结构与封装结构,都可以达到与低功率白光LED相同水平,主要原因是电流密度提高2倍以上时,不但不容易从大型芯片取出光线,结果反而会造成发光效率不如低功率白光LED的窘境,如果改善芯片的电极构造,理论上就可以解决上述取光问题。

  三、设法减少热阻抗、改善散热问题

  有关发光特性均匀性,一般认为只要改善白光LED的荧光体材料浓度均匀性与荧光体的制作技术,应该可以克服上述困扰。如上所述提高施加电力的同时,必需设法减少热阻抗、改善散热问题,具体内容分别是:降低芯片到封装的热阻抗、抑制封装至印刷电路基板的热阻抗、提高芯片的散热顺畅性。

  为了要降低热阻抗,许多国外LED厂商将LED芯片设在铜与陶瓷材料制成的散热器(heat sink)表面,接着再用焊接方式将印刷电路板上散热用导线,连接到利用冷却风扇强制空冷的散热器上,根据德国OSRAM Opto Semiconductors Gmb实验结果证实,上述结构的LED芯片到焊接点的热阻抗可以降低9K/W,大约是传统LED的1/6左右,封装后的LED施加2W的电力时,LED芯片的接合温度比焊接点高18K,即使印刷电路板温度上升到500C,接合温度顶多只有700C左右;相较之下以往热阻抗一旦降低的话,LED芯片的接合温度就会受到印刷电 路板温度的影响,如此一来必须设法降低LED芯片的温度,换句话说降低LED芯片到焊接点的热阻抗,可以有效减轻LED芯片降温作业的负担。反过来说即使白光LED具备抑制热阻抗的结构,如果热量无法从封装传导到印刷电路板的话,LED温度上升的结果发光效率会急遽下跌,因此松下电工开发印刷电路板与封装一体化技术,该公司将1mm正方的蓝光LED以flip chip方式封装在陶瓷基板上,接着再将陶瓷基板粘贴在铜质印刷电路板表面,根据松下表示包含印刷电路板在内模块整体的热阻抗大约是15K/W左右。

  LED散热*主要技术

  依据不同的封装技术,其散热方法亦有所不同,而 LED 各种散热途径方法约略以下几种:

  1、从空气中散热

  2. 热能直接由System circuit board导出

  3. 经由金线将热能导出

  4. 若为共晶及Flip chip制程,热能将经由通孔至系统电路板而导出

  普通说来按照从散热器带走热量的方法可以将散热器分为自动式散热和被动式散热。所谓的被动式散热是指经过散热片将热源LED光源热量天然分发到空气中其散热的结果与散热片巨细成正比但由于是天然分发热量结果当然大打扣头经常用在那些对空间没有要求的设备中或许用于为发烧量不大的部件散热如局部普及型主板在北桥上也接纳被动式散热绝大大都接纳自动式散热式自动式散热就是经过电扇等散热设备强迫性地将散热片宣布的热量带走其特点是散热效率高并且设备体积小。 自动式散热从散热方法上细分可以分为风冷散热、液冷散热、热管散热、半导体系体例冷、化学制冷等等。当前LED主要散热技术如如下:

  1、铝挤压技术

  一般常用的铝挤型材料为 AL6063,其具有良好热传导率(约200 W/m.K)与加工性。 优缺点:易加工,成本低,技术成熟。缺点是安装受限较多,易变形。注:未经氧化处理的铝易自然腐蚀,导致导热率下降。

  2、铝压铸技术

  一般常用的压铸型铝合金为ADC12,适用于做薄铸件,但热传导率较差(约 96 W/m.K)。 优缺点:可进行一体化无隙设计,防水效果较好。缺点是模具费用较高,散热效果一般,灯体较笨重

  3、加风扇强制散热

  由于现在的集成芯片和电脑的CPU很相似,所以,把风扇加到散热器上就应运而生了。加上风扇之后,散热效果有一定的改善,但是由于铝本身的导热速率不高,导致散热效率提高并不是很多,也不能解决大功率散热的要求。而且风扇还有一个致命的缺点:大功率照明所处的环境普遍比较恶劣,风扇的可靠性令人堪忧。路灯,工矿灯,码头灯等,风吹,日晒,雨淋,粉尘,腐蚀,风扇抗的住吗?现在LED灯一般都号称10万小时,大约是11年。大家都见过CPU散热器的风扇,2年以后,大功率LED散热器的风扇真的还能用吗?结论想必大家都已经知道了。另外,LED是节能产品,可是散热方面又再次耗能,这将使LED失去节能的优势。

  4、风凉风冷散热

  风凉风冷散热是最经常见的散热方法比较而言也是较廉价的方法。风冷散热从本质上讲就是运用电扇带走散热器所接收的热量。具有价钱相对较低装置便利等长处。但对情况依靠比拟高例如气温升高以及超频时其散热功能就会大受影响。

  5、液冷

  液冷散热是经过液体在泵的带动下强迫轮回带走散热器的热量与风冷比拟具有恬静、降温不变、对情况依靠小等等长处。液冷的价钱相对较高并且装置也相对费事一些。还装置时尽量依照仿单指点的办法装置才干取得最佳的散热结果。出于本钱及易用性的思索液冷散热凡间采用水做为导热液体因而液冷散热器也经常被称为水冷散热器。

  6、热管

  热管的原理很简单,就是相变技术。所谓相变就是液→气→液的循环变化过程。我们知道,液体——以水为例,吸热变为气体,气态水放热变为液态水。热管就是利用这一吸一放来传递热量的。一般的热管是用铜来做,铜的导热速率高,散热速率低,把热量导出来,可是散不出去。于是就有了铜铝结合的热柱。铜的导热速率高,用来导热;铝的散热效率高,用铝来散热。这样的组合貌似天衣无缝,实则缺陷很多。首先第一个就是铜铝的结合问题,稍微知道点化学知识的人都知道,铜和铝的熔点不一样,是不可能焊接到一起的。那么只能粘合,这样的话极易出问题,也就是可靠性不佳。其二,热管有取热极限,一旦管内沸腾,热管就极有可能爆掉。这些缺点使得热管非常不可靠。

  热管属于一种传热元件它充沛应用了热传导道理与致冷介质的疾速热传递性质经过在全封锁真空管内的液体的蒸发与凝聚来传递热量具有极高的导热性、优越的等温性、冷热两侧的传热面积可恣意改动、可远间隔传热、可节制温度等一系列长处而且由热管构成的换热用具有传热效率高、构造紧凑、流体阻损小等长处。其导热才能已远远超越任何已知金属的导热才能。一般采用热管加fin片的形式。Fin片材质一般是AA1050(AL,约200 W/m.K)或c1100(cu,约400 W/m.K ),导热管材质结构复杂,具有几乎完美的热传导率(约80000~110000 W/m.K)。 优缺点:良好的散热效果,重量轻。缺点是对空间有一定要求,不能承受较大力度冲击,成本较高。

  7、半导体系体例冷

  半导体系体例冷就是应用一种特制的半导体系体例冷片在通电时发生温差来制冷只需高温端的热量能有用的分发失落则低温端就不时的被冷却。在每个半导体颗粒上都发生温差一个制冷片由几十个如许的颗粒串联而成然后在制冷片的两个外表构成一个温差。应用这种温差景象共同风冷/水冷对高温端进行降温能获得优异的散热结果。半导体系体例冷具有制冷温度低、牢靠性高级长处冰脸温度可以到达零下10℃以下然则本钱太高并且能够会因温渡过低招致形成短路并且目前半导体系体例冷片的工艺也不成熟不敷适用。

  8、化学制冷

  所谓化学制冷就是运用一些超低温化学物质应用它们在消融的时分接收很多的热量来降低温度。这方面以运用干冰和液氮较为经常见。比方运用干冰可以将温度降低到零下20℃以下还有一些更“失常”的玩家应用液氮将CPU温度降到零下100℃以下(理论上)当然因为价钱昂贵和继续工夫太短这个办法多见于实行室或极端的超频喜好者。

  9、其他新型散热技术:

  a、SynJet替代风扇b、均热板技术 c、离子风散热技术 d、PDC 热处理材料 e、纳米碳球应用于辐射散热技术