LED灯具散热技术江苏·无锡方志烈.ppt

LED 灯具散热技术,方志烈 教授 复旦大学测试中心 2011.5-江苏无锡,一、LED照明灯具的研发原则 二、LED照明灯具的技术瓶颈散热 三、热能传递的三种基本方式 四、散热的传统措施 五、热管技术 六、LED发光效率与热转换分析 七、LED结温升高原因及其与性能关系 八、主动和被动散热方案 九、LED灯具的热学设计 十、案例 十一、展望,LED灯具散热设计,一、LED照明应用产品开发原则,1.从LED的优点出发开发应用产品。 传统照明光源的优点均偏向单一化。 唯LED光源具有十五种以上的独有光源优点 高效节能、环保、寿命长、安全、低耗、色光、白光、防震、 防水、微型、高亮度、易调光、低电压、光束单方向、光束 集中等15个优点。,2.选择原有光源有明显缺点的灯具 航标灯、道路交通信号灯、路灯、景观灯。 3.应用产品市场起动的判据照明成本。 （1）光源的初始成本 （2）光源所消耗能源成本 （3）更换光源劳动成本 （4）光源更换频率,类似照明成本概念建立的另一个指标为百万流明小时 式中C 为考虑外电路价格修正的灯的价格，修正佔20%； C1kW.h为每千瓦小时的电价； 为考虑镇流器损耗后的发光效率； P和为灯的额定功率和寿命。 这里未考虑维护和处理含汞废灯的费用。,LED光源能大大降低百万流明小时值 传统光源则保持恒定不变。 白炽灯为40元 荧光灯为7.4元 LED 2005年 29.34元 2010年 6.36元 2020年 3.28元,4.半导体照明应用产品的技术关键是散热 与白炽灯、卤钨灯不同的是温度升高非但不会增加效率，结温上升会大幅度下降效率，更高的结温更会使器件光输出明显随时间衰减，而使寿命降低。这样就会丧失LED寿命长、效率高的优点。所以应该认真对待LED照明灯具的热学设计。 5.造型设计要创新 LED 光源的小形、薄形为灯光的造型 设计创新提供了优越的条件，可以开发出不仅是高效节能的科技产品，而且是美观大方、赏心悦目的艺术作品。,6.开发LED照明应用产品的根本动力来自半导体照明光源发光效率的不断提高 随着LED发光效率的不断提高，我们可以开发出一批又一批的半导体照明灯具,二、LED照明应用的技术瓶颈散热,举例：1 航标灯 留支架加厚、加宽焊接铜薄等。 2 道路交通信号灯 留部分支架、500个后效率提高121个已解决 3 5LED先制作的路灯 （500个，700个）衰减严重，无法解决 4 1WLED制作路灯 正在解决中.,1、LED的效率数据是瞬态测得(不是工作状态下的数据)。 LED工作时光输出随结温上升而下降 (发光效率随结温升高而下降是可回复的，不是衰减，也不是退化。) 2、LED的寿命与LED工作时的结温密切相关，结温高寿命短，Lumileds推出新的Power LED可靠性分析方案，建议二个寿命值，一个L70 、一个B50，即光输出下降到维持70%和50%的时间。,半导体照明工程863项目 （2008.6.17）,LED功能性照明系统集成技术开发课题申请指南 内容之一：功率型LED在实际环境下成组使用时灯光的散热技术，提高发光；效率及使用寿命 指标之一：灯光整体光效80lm/W 热阻9/W,正常点亮时结温温升25 工作寿命50000小时（光通量下降到初始值70%）,热辐射是由物体的温度所产生的而以电磁辐射的形式发射的能量。 黑体的吸收本领和辐射本领在同温度的物体中是最大 。 黑体在单位时间内发出的热辐射热量由斯忒藩一坡尔兹 曼定侓(Stefan-Boltzmann)决定： AT T黑体的绝对温度K、A辐射表面积m， 黑体辐射常数 又称四次方定侓，是辐射传热计算的基础,三、传热的三种方式,1、热辐射,-8,5.67X10 W/（m .k ）,4,2,2、热传导,热传导是物体各部分之间不发生相对位移时， 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而 产生的热能传递，简称导热。 导热现象规律已总结为傅里叶(Fourier)定律。 单位时间内通过该层的热量与该处温度的变化 率及平板面积A成正比。 A 称热导率，又称导热系数,dt dx,3、热对流,热对流是指由于流体的宏观运动，与流体的流 体之间的热量传递进程。 对流传热可区分为自然对流和强制对流，此外 还有液体在热表面上沸腾传热和蒸气在冷表面上凝 结传热。(热管是这二者的巧妙结合)： 基本公式是牛顿（Newton）冷却公式 hAt h称对流换热系数单位是W/(mk),下表给出几种对流传热过程对流换热系数值的大致范围 进程 h/w/(mk) 自然对流：空气 110 水 201000 强制对流：气体 20100 高压水蒸气 5003500 水 10001500 水的相变换热：沸腾 25003500 蒸气凝结 500025000,掌握典型条件下的表面传热系数的数量及 是很有必要的。 就介质而言，水的对流传热比空气强烈。 就对流传热方式而言，有相变的优于无相变的强制对流 优于自然对流。 路灯的热学设计包括导热和散热 路灯的散热设计要充分注意气流的形成以加强对流,四、散热的传统措施,1.强制（主动）散热 （1）风冷 （2）水冷（包括喷射水冷） （3）半导体制冷 2.自然散热（热传导） 散热器 散热面积 气流 防积灰,3、相关材料热导系数,热导系数的单位为W/mk，即截面积为1平方米的柱体沿轴向1米距离的温度为绝对温度1k(1k=1)时的热导功率。,五、热管技术,1963年G.W.Grover 发明热管散热技术。 热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的元件；它是利用热源本身的能量，将热量转移到冷端。热管一端是蒸发端，另一端为冷凝端，内充适量的液体作工作介质，气相、液相循环，在一定温差下将热量不断地传导出来。原用于航天技术，现广泛用于电脑的CPU散热。 传热效率比相同重量的金属高100倍！,1、直管热管,毛细头,平衡时有:,上升高度h:,就是毛细头,它是热管循环的基本推动力,热管工作示意图,不同大小热管的性能（1mm2 )倒装芯片）,2、回路热管,前苏联Maidanik 发明 用于宇航,一支15万美元 不久发表文章,说明可用于功率电子器件的散热. 由蒸发器，回路管和冷凝器三部份组成，效率更高 蒸发器热阻 0.150.2/W 整体热阻 0.5/W 蒸发器热阻0.1/W 量产成本10美元/个（用于100W） 寿命长（十年），1212天连续试验性能未变。（3.3年）,3、平板热管 直管热管是一维导热 平管热管是二维导热 效率明显提高,六、LED发光效率与热转换分析,研究路线分析,（一）对器件本身研究提高发光效率 1、提高芯片的内量子效率（增光减热） 1）改进结构 双异质结 量子阱 2）减少Auger复合所产生的热量（非辐射）（Lumileds） 3）增强耐热性（Lumileds） 4）减少漏电流（弗吉尼亚大学研究组）,2、提高出光效率（增光） 1）表面粗化、微透镜 2）光子晶体 3）高折射率封装材料,（二）低热阻降温升，保持较高发光效率 1、垂直结构 电流均匀，无横向电流拥塞 现象 2、 高导热结构 （层数少、薄、面积大、高导热材料）组成低热阻通道 芯片、器件、灯具均如此。 3、采用热管、重力热管、介质对流等高导热元件。,（三）散热降温升，保持较高发光效率 1、足够的散热面积， 1.5d/W 2、优良的对流设计（气流垂直流动） 3、高导热材料,目前解决LED路灯散热问题的技术措施 1、选用高效功率LED 2、选用低热阻功率LED 3、设计低热阻通道 4、设计优良的散热结构（垂直对流和足够散热面积）,七、LED结温升高原因，及其与性能关系,深圳灯管局路灯检测中心主任吴春海： “我们检测了28款灯具，但是都不满意，最高我只给70分”。 “在2008-2009年跟踪中，宁波有5套灯具失效了”。 “过去三年在中国安装的70%的灯具失效了，而在中国以外安装的只有30%失效。” 原因何在？,解决措施：芯片内部热量积累,1、降低芯片内阻，降低压降。 （3.8V 2.8V）(350mA) 2、降低器件热阻 （203/W）,解决措施：界面导热,1、以焊代粘 5467 0.33（W/mK） 选用热导率高的材料 2、使用热管 比铜导热能力高100倍。 3、采用均热板，减除温升特高部分，提高散热效 率。 4、使用微通道技术，用泵。 5、使用微喷技术 ，用泵。 6、采用油汀原理技术。,解决措施：散热效率不高,1、选用高导热材料，不同铝合金，效果不一样。 2、足够的散热面积 1.5d/W 3、优良的对流设计,八、主动和被动散热方案,（一）主动散热方案 1）半导体制冷 2）电风扇吹风 3）微通道技术 （微泵） 4）微喷技术（泵）,主动冷却进展 （一）合成喷气组件 （1）可有效地将热从热源转到空气中 （2）低噪声 （3）高可靠性，超过高可靠风扇 （4）低功耗,通用电气公司全球研发中心发布，研发出利用喷射技术应用于LED照明之中，可用于高功率（100W）的灯具。 33W LED灯100W卤钨灯,（二）压电微喷泵 压电微喷泵提供的空气流功率似乎太低，（对于高功率LED系统热沉冷却），但对低功率（10W）还是可以的。 （Japanese Journal of applied physics） Vol 47 2008 pp8615-8616,（三）热沉压电风扇 （1）由于压电风扇引入的空气进入到热沉，形成层流通过鳍片热交换如区 （2）进入区，当压电风扇振动，在区形成旋风，此外冷却空气从热沉上下来到区，所以有新鲜的冷却空气进入到空气流旋风就形成。 （3）旋风被形成由室区，在区出口形成线流 （4）冷却容量1/w超过75cm2 （5）空气流速 1.5m/s,IEEE transactions on components and packaging technologies Vd 33 . pp25 . 2010,（1）Dan schlitz , vishal singhal 普渡大学毕业生受NSF支持六年不慢的成果 目前在 Thorm Micro Technalog Inc （2）产生的微风达2.4m/s，作为比较，较大的机械风扇气流是0.7/1.7m/s （3）这一功率可冷却25W芯片，器件大约1cm3 ,有朝一日能集成到硅上，做成自冷 （/369860/video-rsd5-solid-state-fan-in-action）,（四）固态风扇,（二）被动散热方案 1）仅用翅片散热（金源） 2）依靠重力液体流动 3）均热板 4）热管,重力热管 单管热管（新强光电、聚光） 平板热管（三维） 回路热管（ 阳杰科技、伟志） 后三种仍应用翅片散热 主动散热方案向被动散热方案发展是科技发展的必然趋势,九、LED灯具的热学设计,1、LED灯具的散热通道,2、结温和热阻的测量,热学参数结温和热阻之测量,结温的测量采用电压测量法，原理是LED PN结的VF与温度成线性关系（负温度系数） 测试电路如图,LED结温 测试程序,（1）选路开关打到1，小电流Im 对待测LED供电，测得VF1 （2）选路开关打到2，由大电流IH 对待测LED供电，并持续一段时间TH ，测得VH ，从而得到耗散功率PH 。 （3）迅速将开关打加1，由小电流对LED进行供电，及时测得VF2 如图所示,计算如下：,V = VF1 - VF2 Tj = Tj0 + Tj Tj 是待测结温. Tj0 是未加功率前初始结温T j 是加功率后此起的LED结温差（Tj Ta） Im 一般取小电流1mA、5mA或10mA 由LED功率大小而定,器件的电压温度系数由实验可测得： K = TH T1/V1 VH 热阻R j a = T j / PH = ( KVF )/ ( IHVH ) 由SSP8810可测各种功率LED的结温和热阻 采用取代负载方法可测组件或灯具上某一个器件的结温，由此可分析LED乃至组件灯具的帮命。,Tj-Tb IfVf,测量一个组件，LED组件内有五个LED芯片，每个芯片0.49W 先对结温Tj逐一进行测量，N个数据不相同，测得平均 值：R*=82.0 /W.由下式求得 R*= (/W),用热成像测试芯片表面温度的测量结果如下表： (a) (b) If(mA) 120 120 Vf(V) 4.1 20.4 功率(W) 0.49 2.45 位置 b a b c d e Tb() 26.0 34.3 34.3 34.3 34.3 34.3 最大值 68.6 95.8 85.7 91.8 85.5 91.7 芯片温度() 最小值 57.8 80.6 72.7 75.7 72.6 76.8 平均值 64.8 88.6 79.6 84.6 79.4 84.7 或 ( /W) 78.9 110.9 92.5 102.7 92.1 102.9 平均值 ( /W) / 100.2 ( /W) / 20.0,3.热学设计原则,总原则是使芯片、器件、灯具结构具有低热阻和高效的散热 器使芯片上产生的热量，能通畅地传到散热器上，并有效散发 到环境中去。 热阻就是结构对热功率传输所产生的阻力。通常将两个节点之 间单位热功率输所产生的温度差定义为该两个节点间的热阻 RT为两节点间的热阻； T为两节点之间的温度；PD为两个节点之间的热功率流，热阻单位为/W,传导热阻： 结构层热阻RT，正比于层的厚度，反比于材料的热导率和层的面积S； 扩展热阻： 当一热功率流通过一小面积进入到无限固体中去时，所产生的 热阻为扩展热阻。它的大小除了为该无限固体材料的热导率有关 外，不仅于面积有关，而且还于形状有关。就给定面积而言， 细长形接触的扩展热阻低于方形，环形的扩展热阻小于椭圆形 的，更小于圆形。,LED灯具的总热阻，就是结构层热阻和扩展热阻之积。 R总=R1-2+R3-4+R4-5+R5-6+R6-7+R7-8+R8-9 从以上热学分析，可得出如下几条设计原则。 （1）结构层越少越好； （2）层的厚度越薄越好； （3）层的面积越大越好； （4）面积一定时，长形或环形较好； （5）材料的热导系数越大越好。,如采用热传导散热片散热 48W LED 电路板要 30cm x 30cm 散热板要50cm x 50cm，厚度4mm 铜或铝板 100W 则还要翻倍！,4、相关材料热导系数,热导系数的单位为W/mk，即截面积为1平方米的柱体沿轴向1米距离的温度为绝对温度1k(1k=1)时的热导功率。,5、LED路灯的热学设计,（1）R1-3 芯片热阻 採用MVP LED芯片 热阻仅 0.19/W；金属衬底 正装蓝宝石100m 2.91/W；薄蓝宝衬底 正装蓝宝石150m 4.37/W；厚蓝宝衬底 （2） R3-5 MVPLED AuSn 共晶 0.23/W； MVPLED 银浆 2.23 /W； 蓝宝石 100m 银浆 4.95 /W； 蓝宝石 150m 银浆 6.41/W 。,MVP 功率LED热阻分析,功率LED不同结构热阻之比较,1、正装芯片/银胶固晶 7.60(k/W) 2、正装芯片/共晶固晶（Au-Sn） 3.77 3、硅封底金球倒芯片/银胶固晶 5.84 4、硅封底金球倒芯片/共晶固晶（Au-Sn） 4.30 5、A/N封底共晶倒芯片/银胶固晶 3.62 6、A/N封底共晶倒芯片/共晶固晶（Au-Sn） 2.09 7、MV芯片/共晶固晶（Au-Sn） 0.98,1W功率器件 RT 已从四年前25/W 下降到目前的5-9/W；MVPLED共晶已降到3.2-3.8/W （3） R5-6 焊接或粘结层 焊粘热导系数比粘结物高几十倍，尽可能用焊料层薄。 （4） R6-7 热沉或热管的热阻 单管热管可达5-6/W ，回路热管为0.5 /W 。 铜、铝或高热导系数的铝合金优选。 （5）R7-8 热沉或热管与散热器之间的接触层 用平面之间的硬接触再加导热硅脂是通用选择，接触面要 平、 要大。,（6）R8-9 散热器 在LED路灯中可借用灯壳，一般用热导系数高的铝合金，压 铸或拉伸均可，关键是表面积尽可能大，散热片形状有利于形成 气流，也要有利于雨水冲刷灰尘，以使不致积土后影响散热。 （7）驱动器也会发热，尽可能与LED分开。以免加大LED温升。,十、案例,1.Neopac 新强光电 单管 每个单元 8-10W 2005.9.30 荷花灯 9个8W成环形组成 Ta=25时结温仅60上升35 控制结温75时热组4.38/W 功率72W光通量1800lm 2005.10.26 80w LED灯 10个8w点光源=排组合 光通量为2000lm，热组4.37/W 发光较率25lm/W. 单元试验83000小时。已在天津装1300只 北美“LED city”.,2.阳杰科技,回路热管. 100W LED路灯 6000lm 16 1x(北美9lx)60 lm/W 150W LED路灯 8800lm 22.5 lx (北美9 lx)59 lm/W 据称已达 72lm/W，（LED）比钠灯省电 53.5%. 20个月道路试验几无变化!,3、伟志光电,(1)组件,（2）LED路灯,4、三维传热,5、简单LED灯具热导计算模型 甲 乙,甲 热稳定状态时的温度状况,采用等效电路的热阻算法 R总R1+R2+R3+R4+R5+R6 R1 支撑板和铝基板之间的附加导热层的热阻 R2 支撑板的热阻 R3 散热板和塑料外壳之间的附加导热层的热阻 R4 塑料外壳的热阻 R5 橡胶外皮的热阻 R6 橡胶外皮处于空气中的对流换热的热阻,计算,R1= = =0.619(k/w) R2= = =0.1648(k/w) R3= = =0.1648(k/w) R4= = =9.841(k.w) R5= = =3.033(k/w) R6= = = =9.685(k/w) 上式中6 为平均换热系数；L定性长度取园柱直径 GrLPr 分别为无量纲的格拉晓夫数和普朗特数，不同情况下可由表查得，C为适配系数。A6与时流换热的有数面积 K6为空气的导热系数,d1 _ K1 A1,1d3 _ K3 A3,1 _ 0.7,1.5x10 _ x0.0105,1 _ K2 2d2,1 _ 0.33,1 _ 2x0.006,d5 _ K5 A5,1 _ 0.7,0.0001 _ 2x0.023x0.006,d4 _ K4 A4,L _ K6c(Gr2Pr)A6,1 _ 0.33,0.054 _ 20.67x106x0.53x2x0.023x0.006,0.003 _ 2x0.0245x0.006,1 _ 6 A6,1 _ 0.33,0.001 _ 2x0.0265x0.006,c(GrLPr)k6 _ L,总热阻 R总=86.37(k/w) LED的有1w的功率变成热量则铝基板温升为 T=(T2-T1)=qR=86.37(k) T2为铝基板温度；T1为环境温度 若 T140 则 T2126 LED的结温要达到166 显然太高,改进方案 以0.3mm厚的电解铜散热板 如乙 其它部份不变 电解铜散热板的热阻为 R2= ln = x0.7841=1.078(k/w) 电解铜散热板有折边6mm，这部份等效热阻为 R7= = =0.1793(k/w) R总=R1+R2+R4+R5+R6+R7=24.60(k/w) T=(T1-T2)=qR=24.60(k)