智能仪器-大功率led散热问题

大功率LED散热解决方案方案一LED的散热方式散热的方式主要是物理方式1辐射辐射是指机体以发射红外线方式来散热。当皮肤温高于环境温度时，机体的热量以辐射方式散失。辐射散热量与皮肤温、环境温度和机体有效辐射面积等因素有关。在一般情况下，辐射散热量占总散热量的40。当然，如果环境温度高于皮肤温，机体就会吸收辐射热。炼钢工人在炉前作业，炎热的夏季农民在日照下田间劳动也会遇到这种情况。2传导与对流传导就是机体通过传递分子动能的方式散发热量。当人体与比皮肤温低的物体（如衣服、床、椅等）直接接触时，热量自身体传给这些物体。临床上，用冰帽、冰袋冷敷等方法给高热病人降温，就是利用这个原理，对流就是空气的流动，这是以空气为介质来进行散热。大功率LED的散热问题LED是个光电器件，其工作过程中只有30左右的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能，使LED的温度升高。在大功率LED中，散热是个大问题。例如，1个10W白光LED若其光电转换效率为20，则有8W的电能转换成热能，若不加散热措施，则大功率LED的器芯温度会急速上升，当其结温（TJ）上升超过最大允许温度时（一般是120），大功率LED会因过热而损坏。因此在大功率LED灯具设计中，最主要的设计工作就是散热设计。图1散热路径图热是从温度高处向温度低处散热。大功率LED主要的散热路径是管芯散热垫印制板敷铜层印制板环境空气。若LED的结温为TJ，环境空气的温度为TA,散热垫底部的温度为TC（TJTCTA），散热路径如图1所示。在热的传导过程中，各种材料的导热性能不同，即有不同的热阻。若管芯传导到散热垫底面的热阻为RJC（LED的热阻）、散热垫传导到PCB面层敷铜层的热阻为RCB、PCB传导到环境空气的热阻为RBA,则从管芯的结温TJ传导到空气TA的总热阻RJA与各热阻关系为RJARJCRCBRBA；各热阻的单位是/W。可以这样理解热阻越小，其导热性能越好，即散热性能越好。PCB基板材料,按照材料的性质来划分,基本上可以分为纸基印制板、环氧玻纤布印制板、复合基材印制板、特种基材印制板等多种基板材料纸基阻燃覆铜板。1纸基印制板这类印制板使用的基材以纤维纸作增强材料，浸上树脂溶液酚醛树脂、环氧树脂等干燥加工后，覆以涂胶的电解铜箔，经高温高压压制而成。按美国ASTM/NEMA美国国家标准协会/美国电气制造商协会标准规定的型号，主要品种有FR1、FR2、FR3以上为阻燃类XPC、XXXPC以上为非阻燃类。全球纸基印制板85以上的市场在亚洲。最常用、生产量大的是FR1和XPC印制板。2环氧玻纤布印制板这类印制板使用的基材是环氧或改性环氧树脂作黏合剂，玻纤布作为增强材料。这类印制板是当前全球产量最大，使用最多的一类印制板。在ASTM/NEMA标准中，环氧玻纤布板有四个型号G10不阻燃，FR4阻燃；G11保留热强度，不阻燃，FR5保留热强度，阻燃。实际上，非阻燃产品在逐年减少，FR4占绝大部分。FR4CEM1PCB板3复合基材印制板这类印制板使用的基材的面料和芯料是由不同增强材料构成的。使用的覆铜板基材主要是CEMCOMPOSITEEPOXYMATERIAL系列，其中以CEM1和CEM3最具代表性。CEM一1基材面料是玻纤布，芯料是纸，树脂是环氧，阻燃；CEM3基材面料是玻纤布，芯料是玻纤纸，树脂是环氧，阻燃。复合基印制板的基本特性同FR4相当，而成本较低，机械加工性能优于FR4。MCPCB板4特种基材印制板金属基材铝基、铜基、铁基或因瓦钢、陶瓷基材，根据其特性、用途可做成金属陶瓷基单、双、多层印制板或金属芯印制板。结构为三层最上面是一层极薄的线路板,中间为一层高导热的绝缘粘合剂,底层为铝1散热片要求外型与材质如果成品密封要求不高，可与外界空气环境直接发生对流，建议采用带鳍片的铝材或铜材散热片。2有效散热表面积对于1W大功率LED白光（其他颜色基本相同）我司推荐散热片有效散热表面积总和5060平方厘米。对于3W产品，推荐散热片有效散热表面积总和150平方厘米，更高功率视情况和试验结果增加，尽量保证散热片温度不超过60。3连接方法大功率LED基板与散热片连接时请保证两接触面平整，接触良好，为加强两接触面的结合程度，建议在LED基板底部或散热片表面涂敷一层导热硅脂（导热硅脂导热系数30W/MK），导热硅脂要求涂敷均匀、适量，再用螺丝压合固定。无铅锡膏，并非绝对的百分百禁绝锡膏内铅的存在，而是要求铅含量必须减少到低于1000PPM01的水平，同时意味着电子制造必须符合无铅的组装工艺要求。在无铅锡膏在成分中，主要是由锡/银/铜三部分组成，由银和铜来代替原来的铅的成分。锡丝375以下；SMT用焊锡膏270以下；方案二LED散热方式改变LED的散热结构或者散热方式1分析考虑热导率与散热方式的影响，使用大型有限元软件ANSYSL00模拟并分析了大功率LED热分布。通过分析不同封装、热沉材料及散热方式对LED热分布与最大散热能力的影响，指出解决LED散热问题的关键不是寻找高热导率的材料，而是改变LED的散热结构或者散热方式。建立模型22几何模型的建立23有限元模型的建立LED模型中各材料的参数值3分析各种因素对于散热能力的影响31热辐射系数对LED散热的影响图2为表面黑度为08时的温度云图。根据斯蒂芬玻耳兹曼定律，辐照度J与温度T之间的关系JT4。其中为黑体的辐射系数；567108WM2K4，称为斯蒂芬玻耳兹曼常数。因此可知，温度越高，辐照度越大。当输入功率为1W时，经由表面辐射散出的热能为763104W，仅占总热功率的163；功率达到2W时，经辐射散出的热能也仅占633。因此改变热辐射系数对于提高散热能力改善成效不大，散热的关键在于提高另外两种散热方式热传递和热对流。尽管如此，仍有一些厂家将LED器件的外表面涂成黑色，以期最大限度地利用辐射散热。32热导率对LED的散热的影响只考虑热传导与对流，改变不同封装填充材料如硅树脂得出结果，如图3所示。即使找到一种热导率高达7WM1K1的环氧树脂成分封装材料时，相比使用热导率为025WM1K1的环氧树脂成分封装材料时，芯片温度下降不多，铝基板温度只下降了2271，最大功率仅提高了069W。实际上，热导率值超过7WM1K1以上、可商业化的透明硅树脂封装材料目前尚无文献报导。分布云图如图4所示。33增加散热面积对LED散热的影响表3为3种不同散热方式对LED的温度分布、最大功率的影响。可以看出，增加散热面积是很好的散热方式，可以轻易地提高LED器件散热能力，这是目前LED产品所普遍使用的散热方式之一。然而缺点也很明显影响成本、增加产品重量、影响封装密度。无限度地提高LED散热片面积显然不现实，因此一般使用15INCH2散热片提升LED产品最大功率至10W左右，出于成本等因素就不能继续提高。34对流方式对LED散热的影响常见对流散热方式有两种自然对流和强制对流。固定结构的散热与表面传热系数有关。空冷方式时，不同传热系数对最大功率的影响如图5所示。强对流方式在一定速度内会大大提高LED产品的散热能力，有助于提高散热效果。综上所述，无论是增加散热面积还是增加对流速度都不能无限制地提高散热能力，其原因在于当散热结构、方式固定后，即使LED导热率有所上升，也无法真正大幅度降低芯片温度；事实证明增加散热面积，可以促进散热。但由于成本限制，且不可能无限制地增加散热面积，因此，要提升LED产品的散热能力，关键要在最大努力增加散热面积时，寻找一种可以快速将上表面热量带走的散热方式。方案三某些公司所研发的散热器34W聚光灯中的散热器与其他的热电供应商不同，LAIRD公司不仅制造其自身的模块，而且将其产品与内部设计、装配和制造专业知识相结合。凭借其在电磁干扰EMI屏蔽领域的技术优势，LAIRD提出了一种可以和防电磁干扰相结合的散热器方案，这种方法对于LED恒流驱动开关电源的散热和防辐射很有用。NEXTREME公司则主要开发了一种薄膜半导体制冷技术，只要在N型半导体和P型半导体之间通上电，就可以把热从一端移至另一端。这是一种具有超高效率的光学芯片冷却模式，基于该技术，NEXTREME推出了名为光学冷却器OPTOCOOLER的HV14模块。这种模块可以在3MM2见方的极小面积上耗散15W的热，而只需要27V的电源，两边的温差可高达60度。压电散热板作为很有效的新型散热器也正式登上舞台。茅于海介绍，它利用压电晶体使得散热板振动，从而提高了散热板的散热效率。其散热效果相当于风扇，但是耗电却要小很多。如图所示，自然对流风冷的热阻为72C/W，而采用风扇强制风冷可降低至23C/W，但要消耗085W。如果采用压电散热板，其热阻也可以降低至23C/W，但只消耗005W，而且其噪声也没有风扇高。不过，使用压电散热板的缺点是成本比一般鳍片散热器要贵不少。茅于海表示，对于超大功率的高亮度LED灯，有必要采用相变水冷却不是热管，热管只能导热而不能散热，利用水变成蒸汽要吸收大量热的方法来进行散热。不过，该过程需要消耗一定的水。此外，还有一种新颖的LED芯片封装技术，称为铝散热器上的芯片CHIPONALHEATSINK。这种技术把LED芯片直接安装到铝散热器上，从而减少了一层热阻。图铝散热器上的芯片LED散热基板逐渐成为一个新的市场。因此，有相关公司在高功率散热基板研发上投入了较大的人力与物力，并取得了很大进展，一些公司的高功率散热基板已经进入批量生产，如美国贝格斯BERGQUIST、LAIRD、日本电气化学DENKA等。实际上，要彻底解决LED的散热问题就是要它产生越小的热量越好。现在的LED发光效率大约在100130LM/W，大约只有20的电能转化为光能，其余80全部转化为热能。据估计，到2020年，LED的发光效率可以提高到240LM/W，比现在提高一倍有余，届时LED所产生的热量比现在减少一倍多，大约只有30的电能转化为热能。综合分析目前，随着LED向着大功率方向发展，很多功率型LED的驱动电流达到70MA、100MA甚至1A，电流增大虽然能够提高LED的亮度、功率，但是这将会引起芯片内部热量聚集，导致发光波长漂移、出光效率下降、荧光粉加速老化以及使用寿命缩短等一系列问题。业内已经对大功率LED的散热问题作出了很多的努力通过对芯片外延结构优化设计，使用表面粗化技术等提高芯片内外量子效率，减少无辐射复合产生的晶格振荡，从根本上减少散热组件负荷；通过优化封装结构、材料，选择以铝基为主的金属芯印刷电路板MCPCB，使用陶瓷、复合金属基板等方法，加快热量从外延层向散热基板散发。多数厂家还建议在高性能要求场合中使用散热片，依靠强对流散热等方法促进大功率LED散热。尽管如此，单个LED产品目前也仅处于110W级的水平，散热能力仍亟待提高。相当多的研究将精力集中于寻找高热导率热沉与封装材料，然而当LED功率达到10W以上时，这种关注遇到了相当大的阻力。即使施加了风冷强对流方式，牺牲了成本优势，也未能获得令人满意的变化。讨论在现有结构、LED封装及热沉材料热导率等因素变化对于其最大功率的影响，寻找影响LED散热的关键因素。