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LED燈為什么需要散熱?

文字:[大][中][小] 2016-6-1    瀏覽次數:7723    

隨著半導體產業的發展,作為21世紀最具發展前景的新型綠色光源,LED照明逐漸滲透到各行各業中。LED照明與傳統照明技術有著較大的差別,目前LED光效不到30%,也就是說大約70%的電能都變成了熱能。LED的光衰或其壽命直接和其結溫有關,散熱不好結溫就高,壽命就短,所以說LED照明燈具的可靠性(壽命)很大程度上取決于散熱水平。依照阿雷紐斯法則溫度每降低10℃壽命會延長2倍。從CREE公司發布的光衰和結溫的關系圖中可以看出,結溫假如能夠控制在65°C,那么其光衰至70%的壽命可以高達10萬小時!如何提高散熱水平成為LED照明的關鍵技術之一。

圖1.光衰和結溫的關系


而且,結溫不但影響長時間壽命,也還直接影響短時間的發光效率,例如Cree公司的XLamp7090XR-E的發光量和結溫的關系如圖2所示。

圖2.結溫和發光量的關系


假如以結溫為25度時的發光為100%,那么結溫上升至60度時,其發光量就只有90%;結溫為100度時就下降到80%;140度就只有70%。可見改善散熱,控制結溫是十分重要的事。

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燈具的設計中最為重要的一個問題。



第一部分LED芯片的散熱

一.結溫是怎么產生的

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最后轉化為熱量,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。

二.LED芯片到底板的散熱

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,所以必須以最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,其最主要的改進就是采用導熱更好的襯底材料。早期的LED只是采用Si硅作為襯底。后來就改為藍寶石作為襯底。但是藍寶石襯底的導熱性能不是太好,(在100°C時約為25W/(m-K)),為了改善襯底的散熱,Cree公司采用碳化硅硅襯底,它的導熱性能(490W/(m-K))要比藍寶石高將近20倍。而且藍寶石要使用銀膠固晶,而銀膠的導熱也很差。而碳化硅的唯一缺點是成本比較貴。目前只有Cree公司生產以碳化硅為襯底的LED。


圖3.藍寶石和碳化硅襯底的LED結構圖


采用碳化硅作為基底以后,的確可以大為改善其散熱,但是其成本過高,而且有專利保護。最近國內的廠商開始采用硅材料作為基底。因為硅材料的基底不受專利的限制。而且性能還優于藍寶石。唯一的問題是GaN的膨脹系數和硅相差太大而容易發生龜裂,解決的方法是在中間加一層氮化鋁(AlN)作緩沖。

LED芯片封裝以后,從芯片到管腳的熱阻就是在應用時最重要的一個熱阻,一般來說,芯片的接面面積的大小是散熱的關鍵,對于不同的額定功率,要求有相應大小的接面面積。也就表現為不同的熱阻。幾種類型的LED的熱阻如下所示:

早期的LED芯片主要靠兩根金屬電極而引出到芯片外部,最典型的就是稱為ф5或F5的草帽管,它的散熱完全靠兩根細細的金屬導線引出去,所以散熱效果很差,熱阻很大,這也就是為什么這種草帽管的光衰很嚴重的原因。此外,封裝時采用的材料也是一個很重要的問題。小功率LED通常采用環氧樹脂作為封裝材料,但是環氧樹脂對400-459nm的光線吸收率高達45%,很容易由于長期吸收這種短波長光線以后產生的老化而使光衰嚴重,50%光衰的壽命不到1萬小時。因而在大功率LED中必須采用硅膠作為封裝材料。硅膠對同樣波長光線的吸收率不到1%。從而可以把同樣光衰的壽命延長到4萬小時。

下面列出各家LED芯片公司所生產的各種型號LED的熱阻

由表中可見,Cree公司的LED的熱阻因為采用了碳化硅作基底,要比其他公司的熱阻至少低一倍。大功率LED為了改進散熱通常在基底下面再放一塊可焊接的銅底板以便焊到散熱器上去。這些熱阻實際上都是在這個銅底板上測得的。

第二部分:LED燈具的散熱

前面講的是LED芯片的散熱,然而任何LED都會制成燈具,所以LED芯片所產生的熱量最后總是通過燈具的外殼散到空氣中去。如果散熱不好,因為LED芯片的熱容量很小,一點點熱量的積累就會使得芯片的結溫迅速提高,如果長時期工作在高結溫的狀態,它的壽命就會很快縮短。然而這些熱量要能夠真正引導出芯片到達外部空氣,要經過很多途徑。具體來說,LED芯片所產生的熱,從它的金屬散熱塊出來,先經過焊料到鋁基板的PCB,再通過導熱膠才到鋁散熱器。所以LED燈具的散熱實際上包括導熱和散熱兩個部分。

1、鋁基板的導熱

目前幾乎絕大多數的LED燈具中都采用了鋁基板。鋁基板上電路的銅箔為了要導電和導熱要有足夠的厚度和寬度,其厚度在35?m-280?m之間。其寬度最好盡可能布滿整個基板,以便把熱傳下去。而下面一層絕緣體則要求其絕緣性能很好,而且還要導熱性能很好。然而這兩個性能是矛盾的,通常都是導體的導熱性能好,而絕緣體的導熱性能差。又要導熱好又要絕緣好是很難做到的。也是一種科研的課題。

2、導熱膠的導熱

鋁基板雖然已經解決了從LED連接到以鋁板為基板的電路上,可以把熱傳遞到鋁板上,但是遺憾的是,這個鋁板往往還不是最終的散熱器,通常還要把這個鋁板連接到真正的散熱器上去。最簡單的方法就是用鉚釘或螺釘的方法連接到散熱器。但是這種方法往往會形成空氣隙,而很小的空氣隙產生的熱阻會比其他熱阻大幾十倍。



但是導熱膠必須要流動性好,不然的話由于涂抹不均勻仍然會產生氣隙,可能比不用還壞。導熱膠的另一個缺點是本身的粘性不足以把鋁基板固定在鋁散熱器上。

3、冷鍛散熱

在很多場合需要把LED所產生的熱量以最快的速度傳送到散熱器,這在大功率LED中尤其重要,因為它的熱量很大(功率可達60W-200W),這時候就必須采用非常良好純鋁冷鍛散熱器了,主要優勢體現在重量輕、散熱面積大、熱傳導系數高,系統總成本低。

100W工礦燈熱模擬仿真圖

三部分:系統的熱阻

各部分的導熱能力也可以用系統的熱阻來說明,一個LED燈具的結構圖。

從圖中可以看出,LED芯片所產生的熱,從它的金屬散熱塊出來,先經過焊料到鋁基板的PCB,再通過導熱膠才到鋁散熱器。而要定量地了解LED芯片的散熱過程,最好利用熱阻的概念。熱量就好像電荷,熱量流動起來就好像電流,流動的過程中會遇到阻力,就好像電阻,在這里我們稱之為熱阻。熱阻的單位為每瓦多少度(°C/W),也就是每流過1瓦的功率會上升多少度。如果知道所需耗散的功率,又知道其熱阻,就可以知道它的溫升是多少。熱阻越大,熱量越流不動,溫升就越高,熱阻越小,熱量流動越快,溫升就越小。圖中表明熱量從LED芯片流出到空氣需要經過很多不同的熱阻。

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