LED灯具热效应对光电性能的影响及解决措施.doc

LED灯具热效应对光电性能的影响及解决措施王成豹一、热效应对LED的影响LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。有研究数据表明，假如LED芯片结温为25度时的发光为100%，那么结温上升至60度时，其发光量就只有90%；结温为100度时就下降到80%；140度就只有70%。可见改善散热，控制结温是十分重要的事。结温高会导致器件各方面性能的变化与衰减。这种变化主要体现在三个方面：(1)减少LED的出光量；(2)造成LED发出光的峰值波长偏移，从而导致光源的颜色发生偏移；(3)缩短LED的寿命。不同品牌LED的光衰是不同的，通常LED厂家会给出一套标准的光衰曲线。例如PhilipsLumiled公司的LuxeonK2的光衰曲线如图1所示，当结温从115提高到135，其寿命就会从50，000小时缩短到20，000小时。图1 Lumiled Luxeon K2随温度变化的光衰曲线一般情况下，光通量随结温的增加而减小的效应是可逆的。也就是说当温度回复到初始温度时，光输出通量会有一个恢复性的增长。这是因为材料的一些相关参数会随温度发生变化，从而导致LED器件参数的变化，影响LED的光输出。当温度恢复至初态时，LED器件参数的变化随之消失，LED光输出也会恢复至初态值。图2 不同k值LED的光输出(百分比)随结温的变化关系大功率LED能否正常工作，出LED芯片本身的因素之外，很大程度上还取决于LED与散热片的合理匹配及安装接触面的导热条件。因此散热器的结构形式及安装工艺是大功率LED灯具有效散热的重要环节。二、LED结温是如何产生的LED芯片的表面面积较小，工作时电流密度大，且用于照明时往往要求多个LED组合而成，LED密集度大，导致芯片发热密度高。而结温上升会导致光输出减少，芯片加速蜕化，缩短LED寿命。LED芯片的散热现在越来越为人们所重视，这是因为LED的光衰或其寿命是直接和其结温有关，散热不好结温就高，寿命就短。LED结温产生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发光技术已有飞跃发展，已经有200lm/W的报道，但LED的电光转换效率大约只有2030%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原因导致的：（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。三、热量传递的三种方式 热量传递即由于温度差而产生热量从高温区向低温区的转移，有三种基本方式：热传导（导热）、热对流、热辐射。（1）热传导：物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子以及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递。例如：物体内部热量从温度较高的部分传递到温度较低的部分，以及温度较高的物体把热量传递给与之接触的温度较低的另一物体都是热传导现象。（2）热对流：流动的流体（包括气体和液体）与其相接触的固体表面，具有不同温度时所发生的热量转移过程。按流体产生流动的原因不同，可分为为自然对流和强迫对流。自然对流是由于流体冷热各部分密度不同或者局部加热造成流体中的温差所致；而强迫对流则是由于外力(风机、水泵等)迫使流体进行流动。（3）热辐射：物质以电磁波的形式向外发射一种带有能量的粒子过程成为辐射。由于热的原因而产生的电磁波辐射成为热辐射。物体不断吸收周围物体投射到它上面的热辐射，并把吸收的辐射能转变为热能。辐射换热就是指物体之间相互辐射和吸收的总效果。四、LED灯具热量传递模式对于一个LED灯具，热量首先从LED芯片产生，然后通过热传导、对流、辐射三种方式进行传递。结合灯具的热量传递过程来看，热传导是热量经由芯片传递到散热器的主要方式，因此在考虑如何提高LED灯具的散热性能的时候，主要是通过改变LED灯具系统各个环节的热传导能力来达到目的，下图为3为LED系统结构示意图。图3 LED系统结构示意图LED灯具系统散热性能的好坏直接由LED芯片（LED Chip）线路板（Substrate）散热器(Heat Sink)空气(Aia)的热量传递过程决定，而这一过程主要有以下几个主要环节： (1)LED器件自身热阻的大小，直接影响到芯片产生的热量能否导出到支架或热沉上，需要从LED封装结构、封装材料、制作工艺方面来提高LED散热性能；(2)从LED到线路板的热阻，往往由线路板的材料、LED之间的间距、电阻的分布、LED与线路板的连接方式决定；(3)如果线路板到散热器的传递，这与二者之间的接触面积、接触程度、热阻大小而决定，如热量传递不出去，导致温度升高，依然存在LED失效的可能性；（4）散热器到空气的热量传递，从线路板上传递过来的热量无法尽快散出，这一过程主要依靠热对流和热辐射的形式完成，而热量传递的效果与散热器的结构和表面积有关系。因此，我们从这三方面提高LED灯具的散热能力，从而控制LED结温在一定范围内。五、解决LED灯具散热的措施 1、LED芯片内部散热 对于LED器件自身的内部散热，由于P-N结产生的热量绝大部分通过村底、粘台剂和热沉传到外界，所以内部散热的改进就牵涉到芯片衬底、粘合剂、热沉等的选材以及制作工艺、封装结构的设计。最先能想到也是最简单的就是提高内部村底、牯台剂、热沉的热导率同时增大传热面积，这样可以降低热阻。但是受到空间限制，传热面积的增大受到限制，同时内部材料的选取也受到材料性能、价格、工艺水平等各方面因素影响。 对于粘贴材料而言，选用合适的芯片村底粘贴材料并在批量生产工艺中保证粘贴厚度尽量小，对保证器件的热导特性是十分重要的。通常选用导热胶、导电型银浆和锡浆这三种材料进行粘贴。导热胶导热特性鞍差，导电型银浆既有良好的导热特性，又有较好的粘贴强度。但由于银浆在提升高度的同时会发热，且含铅等有毒金属，因此并不是粘贴材料的最佳选择。与前两者相比，导电型锡浆的导热特性是三种材料中最优的，导电性能也非常优越。2、LED线路板的选择在LED内部的热量传递到外部环境的过程中，必然要通过基板这一环节，所以提高PCB的热导率对于整个LED系统的散热具有至关重要的作用。同时PCB还起着对LED芯片的电气连接和物理支撑的作用，所以对基板的设计要同时考虑电气和传热性能。大功率LED的基板材料必须有高的电绝缘电阻，高稳定性，高热导率，与芯片相近的热膨胀系数以及平整性和一定的强度。在LED内部的热量传递到外部环境的过程中，必然要通过基板这一环节，所以提高PCB的热导率对于整个LED系统的散热具有至关重要的作用。同时PCB还起着对LED芯片的电气连接和物理支撑的作用，所以对基板的设计要同时考虑电气和传热性能。大功率LED的基板材料必须有高的电绝缘电阻，高稳定性，高热导率，与芯片相近的热膨胀系数以及平整性和一定的强度。一般对于常见LED的散热基板，大致可区分为传统印刷电路板环氧玻璃纤维板(FR4)、金属基印刷电路板(MCPCB)、陶瓷基板(AL2O3)及复合基板四种。目前几乎绝大多数的LED灯具中都采用了铝基板。铝基板上电路的铜箔为了要导电和导热要有足够的厚度和宽度，其宽度最好尽可能布满整个基板，以便把热传下去。而下面一层绝缘体则要求其绝缘性能很好，而且还要导热性能很好。然而这两个性能是矛盾的，通常都是导体的导热性能好，而绝缘体的导热性能差。又要导热好又要绝缘好是很难做到的。也是一种科研的课题。目前采用的是一种掺有陶瓷填充物的改性环氧树脂或环氧玻璃布粘结片。通过热压把铜箔绝缘体和铝板粘结起来。有一些LED灯具，虽然散热器是经过精心设计，但是很快就坏，问题就是出在采用了热阻很大的铝基板或是剥离强度很差的铝基板。用一段时间，电路薄膜就翘了起来，也就完全无法导热，很快就烧坏LED。虽然铝基板只是一种特殊的印制板，但是它却承担着很重的散热任务，不仅绝缘层的导热要好，粘结要牢，而且它的外形还必须和散热器的外形配合，例如，在路灯里，通常是长方形的外形，在射灯中，通常是圆形的，而在日光灯中，通常是长条形的。为了得到更好的导热性，也有时采用导热更好的铜基板，只是其价钱要更贵。而且最后还是要连接到铝制散热器上去。有可能会产生热膨胀系数不同而裂开的问题。 3、散热器的结构与形式谈到散热器，有一个概念先要搞清楚，就是导热和散热的区别。导热就是要把热量最快地从发热源传送到散热器表面，而散热则是要把热量从散热器表面散发到空气中去。首先要把热最快的导出来，然后要最有效地散到空气里去。因为不管采用什么方法散热，最后还是只能把热量散发到空气中。而热量的散发只有两种途径：对流和辐射。现在主流的散热器都带有鳍片散热结构，鳍片的散热主要是靠对流和辐射，这其中对流是最重要的。这两部分都取决于鳍片的总面积。面积越大，散热效果越好。然而，对流散热则不完全取决于鳍片面积的大小，而且还和风力风向有关，在完全无风的状态下，则和自然对流的阻力有关。为了改进辐射散热，铝合金鳍片散热器要进行发黑处理，但是有人是采用喷黑色塑胶漆的方法，这种方法虽然也使其表面变黑，但是实际上又加上了一层绝缘层，妨碍了它的散热。最好的方法是采用阳极氧化发黑处理，这个氧化层可以做得很薄，不至于影响其散热，但对辐射散热有很大的改进。不管是对流还是辐射都是和散热器的散热面积成正比，所以要改善散热一定要加大散热器的面积。散热器采用鳍片的形状是为了加大散热面积。以利于辐射散热和对流散热。散热器的最重要指标就是它的散热面积A，但是散热器的不同部位的散热效果是不同的。在根部的散热效果就差，而在顶部的散热效果就好。所以散热器有一个有效散热面积。它通常是实际面积的70%左右。从经验得出，一般要散1W功率的热量大约需要50-60平方厘米的有效散热器面积。加大长度也是加大面积的一个方法。但是并不是长度越长越好。长度增加到一定程度以后，结温不但不再降低，反而会升高。这是因为空气在沿长度方向的流动受到阻碍所致(主要对于垂直放置的鳍片为如此)。所以对于散热器来说，除了加大面积以外，如何加速空气的对流是很重要的事，尤其是像LED路灯这类安装在室外的路灯更为重要。由于室外的风向是不定的，为了在各种风向情况下都能有很好的对流，最好采用针状鳍片散热器。但这也减小了其等效散热面积很大的百分比。4、LED芯片、线路板、散热器间隙之间的导热 在LED芯片、线路板、散热器之间热传递的过程中，往往会形成空气隙，而很小的气隙产生的热阻也会很大，因为空气的导热系数很小，约为0.023 W/mk所以一般采用导热胶来填充气隙，一般导热胶的导热系数大约12W/mk。 但是导热胶必须要流动性好，不然的话由于涂抹不均匀仍然会产生气隙，可能比不用还坏。导热胶的另一个缺点是本身的粘性不足以把铝基板固定在铝散热器上。所以另一种方法是采用有很强黏结性而又导热的双面胶片。这种导热胶片是使用丙烯系列材料制造出来带有粘性的热传导片，它是属于有粘性和低热抵抗的散热材料。