大功率LED的散热问题

大功率大功率 LED 的散热问题的散热问题 LED 是个光电器件器件 其工作过程中只有 15 25 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 150 大功率 LED 会因过热而损坏 因此在大功率 LED 灯具设计设计中 最主 要的设计工作就是散热设计 另外 一般功率器件 如电源 IC 的散热计算中 只要结温小于最大允许结温温度 一般是 125 就可以了 但在大功率 LED 散热设计中 其 结温 TJ 要求比 125 低得多 其原因是 TJ对 LED 的出光率及寿命有较大影响 TJ越高会使 LED 的出光率越低 寿命越短 图 2 K2 系列的内部结构 图 1 是 K2 系列白光 LED 的结温 TJ与相对出光率的关系曲线 在 TJ 25 时 相对出光率为 1 TJ 70 时相对出光率降为 0 9 TJ 115 时 则 降到 0 8 了 表 2 是 Edison 公司给出的大功率白光 LED 的结温 TJ在亮度衰减 70 时与寿命的关系 不同 LED 生产厂家的寿命并不相同 仅做参考 图 3 NCCWO22 的内部结构 在表 2 中可看出 TJ 50 时 寿命为 90000 小时 TJ 80 时 寿命降到 34000 小时 TJ 115 时 其寿命只有 13300 小时了 TJ在散热设计 中要提出最大允许结温值 TJmax 实际的结温值 TJ应小于或等于要求的 TJmax 即 TJ TJmax 图 4 LED 与 PCB 焊接图 本人看到一则专利 提供一种 灯具的散热体结构 该结构主要包括散热体及导热柱 其中散热体由多个散热片 叠置构成 在各散热片的片体的中央位置处设有穿槽 且各散热片叠置后 各穿槽叠置形成容纳空间 在散热片的片 体上设有多个穿孔 在各散热片叠置后形成多个散热通道 导热柱容纳在各散热片所形成的容纳空间中 并与各散热 片紧密接合 用以吸收由 灯所产生的热量 通过该散热体的叠置特性 不但可配合该灯具的散热所需增减该散 热体的大小外 还通过该散热体所形成的散热通道 以增加该散热体的散热效率 做为一个高科技节能照明产业的从 业人员必须认清 良好的灯具散热包含热传导 均温性 热交换等复杂的热传学基础 并非坊间某些厂商号称使用太 空科技或奈米科技等单一原件或材料就能解决 LED 路灯的性能必须要有科学的理论做支撑 完善的设计为方针 良好 的制程为基础 最后在以第三公正单位的检测报告为依据 这样才不会一再发生光衰退货阻碍产业发展的恶性循环 一般工业产品的热辐射波长都在红外波段 因此跟表面颜色无关 只有可见光波段的热辐射才与颜色有关 比如太阳 光 在做热计算时 最好先写出热阻网络图 分析各段热阻的大小及改进方法 一般来说 LED 封装热阻占总热阻的 30 50 芯片固有特性 无法降低 余下的有基板导热热阻 界面热阻 散热器热阻等 基板导热热阻 选用提高基板导热系数 增加铺铜和过孔 选用铝基板等等 2 界面热阻 利用导热膏或导热垫片 来降低 3 散热器热阻 增加散热面积 合理设计外形 提高表面发热率 增强辐射 加入热管 LED 铝基板设计选择 LED 线路设计为了更好的解决散热问题 LED 和有些大功率 IC 需要用到铝基线路板 铝基板 pcb 由电路层 铜箔层 导热绝缘层和金属基层组成 电路层要求具有很大的载流能力 从而应使用较厚 的铜箔 厚度一般 35 m 280 m 导热绝缘层是 PCB 铝基板核心技术之所在 它一般是由特种陶瓷填充的特殊的聚合物 构成 热阻小 粘弹性能优良 具有抗热老化的能力 能够承受机械及热应力 IMS H01 IMS H02 和 LED 0601 等高性 能 PCB 铝基板的导热绝缘层正是使用了此种技术 使其具有极为优良的导热性能和高强度的电气绝缘性能 金属基层是 铝基板的支撑构件 要求具有高导热性 一般是铝板 也可使用铜板 其中铜板能够提供更好的导热性 适合于钻孔 冲剪及切割等常规机械加工 工艺要求有 镀金 喷锡 osp 抗氧化 沉金 无铅 ROHS 制程等 基材 铝基板产品特点 绝缘层薄 热阻小 无磁性 散热好 机械强度高产品标准厚度 0 8 1 0 1 2 1 5 2 0 2 5 3 0mm 铜箔厚度 1 8um 35um 70um 105um 140um 特点 具有高散热性 电磁屏蔽 性 机械强度高 加工性能优良 用途 LED 专用 功率混合 IC HIC 铝基板是承载 LED 及器件热传导 散热主要还是靠面积 集中导热可以选择高导热系数的板材 比如美国贝格斯 板材 慢导热或散热国产一般材料即可 价格相差较大 贝格斯板材生产出成品大概需要 4000 多元平米 一般国产材 料就 1000 多元平米 LED 一般使用电压不是很高 选择 1mil 厚度绝缘层耐压大于 2000V 即可 LED 散热参考设计方法 LED 为什么要进行热设计 高温对电子产品的影响 绝缘性能退化 元器件损坏 材料的热老化 低熔点焊缝开裂 焊点脱落 温度对元器件的影响 一般而言 温度升高电阻阻值降低 高温会降低电容器的使用寿命 高温会使变压器 扼流圈 绝缘材料的性能下降 一般变压器 扼流圈的允许温度要低于 95C 温度过高还会造成焊点合金结构的变化 IMC 增厚 焊点变脆 机械强度降低 结温的升高会使晶体管的电流放大倍数迅速增加 导致集电极电流增加 又使结温进一步升高 最终导致组件失效 LED 热设计的目的 控制产品内部所有电子元器件的温度 使其在所处的 工作环境条件下不超过标准及规范所规定的最高温度 最高 允许温度的计算应以元器件的应力分析为基础 并且与产品的可靠性要求以及分配给每一个元器件的失效率相一致 LED 散热设计一般按流体动力学软件仿真和做基础设计 LED 流体流动的阻力 由于流体的粘性和固体边界的影响 使流体在流动过程中受到阻力 这个阻力称为流动阻力 可分为沿程阻力和局部阻力两种 LED 沿程阻力 在边界沿程不变的区域 流体沿全部流程的摩檫阻力 LED 局部阻力 在边界急剧变化的区域 如断面突然扩大或突然缩小 弯头等局部位置 是流体的流体状态发生急剧 变化而产生的流动阻力 通常 LED 是采用散热器自然散热 散热器的设计分为三步 1 根据相关约束条件设计处轮廓图 2 根据散热器的 相关设计准则对散热器齿厚 齿的形状 齿间距 基板厚度进行优化 3 进行校核计算 LED 散热器的设计方法 LED 自然冷却散热器的设计方法 考虑到自然冷却时温度边界层较厚 如果齿间距太小 两个齿的热边界层易交叉 影响齿表面的对流 所以一般情 况下 建议自然冷却的散热器齿间距大于 12mm 如果散热器齿高低于 10mm 可按齿间距 1 2 倍齿高来确定散热器的齿 间距 自然冷却散热器表面的换热能力较弱 在散热齿表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响 所以建议散 热齿表面不加波纹齿 自然对流的散热器表面一般采用发黑处理 以增大散热表面的辐射系数 强化辐射换热 由于自然对流达到热平衡的时间较长 所以自然对流散热器的基板及齿厚应足够 以抗击瞬时热负荷的冲击 建 议大于 5mm 以上 LED 灯具损坏常见原因及保护方案 大功率白光 LED 作为新型绿色照明技术 有光转换效率高 能耗低 寿命长 无需维护等优点 逐渐被应用于各种照 明领域 LED 的长寿命是基于其安全的工作环境 对于 LED 照明来讲 主要有两种威胁影响其寿命 一是过电冲击 就 是 LED 上施加的电流超过该 LED 技术数据手册中的最大额定电流 包括过压引起的过电冲击 另一种是过热损伤 这 些损坏可以表现为器件的立即失效 也可能发生在过电流冲击事件后许久才失效 缩短 LED 工作寿命 LED 灯具损坏的原因 LED 灯具失效一是来源于电源和驱动的失效 二是来源于 LED 器件本身的失效 通常 LED 电源和驱动的损坏来自于 输入电源的过电冲击 EOS 以及负载端的断路故障 输入电源的过电冲击往往会造成驱动电路中驱动芯片的损坏 以 及电容等被动元件发生击穿损坏 负载端的短路故障则可能引起驱动电路的过电流驱动 驱动电路有可能发生短路损 坏或有短路故障导致的过热损坏 LED 器件本身的失效主要有以下几种情况 1 瞬态过流事件 瞬态过流事件是指流过 LED 的电流超过该 LED 技术数据手册中的最大额定电流 这可能是由于大电流直接产生也 可能是由高电压间接产生 如瞬态雷击 开关电源的瞬态开关噪声 电网波动等过压事件引起的过流 这些事件都是 瞬态的 持续时间极短 通常我们将其称为尖峰 如 电流尖峰 电压尖峰 造成瞬态过流事件的情况还包括 LED 接通电源 或是带电插拔时的瞬态过电流 对于汽车中的 LED 照明 ISO7637 2 的瞬态抛负载浪涌冲击则是其正常工作的一个重要威胁 LED 遭受过电冲击后的失效模式并非固定 但通常会导致焊接线损坏 如图 1 所示 这种损坏通常由极大的瞬态过 电流引起 除了导致焊接线烧断外 还可能导致靠近焊接线的其他部分损坏 例如密封材料 图 1 LED 焊接线烧断损坏 2 静电放电事件 静电放电 ESD 损坏是目前高集成度半导体器件制造 运输和应用中最为常见的一种瞬态过压危害 而 LED 照明 系统则须满足 IEC61000 4 2 标准的 人体静电放电模式 8kV 接触放电 以防止系统在静电放电时有可能导致的过电 冲击失效 LEDPN 结阵列性能将出现降低或损坏 如图 2 所示 ESD 事件放电通路导致的 LED 芯片的内部失效 这种失效可能 只是局部功能损坏 严重的话也会导致 LED 永久损坏 图 2 LED 部分 PN 结损坏 对于接近 80 能量都转化为热量的 LED 照明设计而言 热管理和故障过热保护是其面临的一个挑战 理论和实践都 已经证明 LED 的性能和寿命是与 LED 的 PN 结工作温度紧密相关 当 LED 芯片内结温升高 10 光通量就会衰减 1 LED 的寿命就会减少 50 LED 由于发光部较小 为局部热源 因此必须充分考虑对该部分的散热对策 LED 亮度和寿命受温度影响会发生大幅变 化 因此如果散热设计不完善 就无法获得期望的特性 LED 的温度上升 正向电压就会降低 不但会导致发光效率恶 化 还会缩短寿命 照明器具和汽车车灯采用多个白色 LED 使用了手机背照灯数百倍的光通量 为了增大电流 亮度 越亮 就越需要采取各种散热对策 温度容易升高的高功率产品 其封装也需要采用具有耐热性的贵重材料 因此还 会导致成本增加 也就是说 散热是关系到效率 成本和寿命等多个方面的重要因素 LED 散热主要是根据热传导原理传递热量 因此 其构造为通过向多种材料传递热量 逐步扩大受热面积 最终向 空气中散热 传递途中存在多种固体材料 材料间存在接触部分 由于固体与固体的接触面上存在的微小凹凸以及面 的弯曲等 中间会产生缝隙 导致出现热阻现象 如何抑制热阻现象的出现是提高 LED 整体导热性的关键 LEDLED 散热散热 thermalthermal designdesign 热传导材料方面 具有热扩散作用的材料尤为重要 充分利用将点的发热扩大到面的材料 使元件整体保持均匀 的温度 简而言之 热源与其周边几乎没有温差的状态是 LED 构造中最为理想的 芯片 封装 印刷底板巧妙散发热量 要提高使用 LED 的产品的散热性 必须将受电力输入影响而温度上升的 LED 芯片的热量充分导出 为此 在降 低从芯片到封装的热阻的基础上 还要 降低从封装至印刷布线底板的热阻 为了散发印刷布线底板的热量 最后 还要准备一条将芯片热量顺利散发到空气中的通道 利用散热片和散热管防止 LED 灯过热 丰田汽车的 雷克萨斯 LS600h 上配备的 LED 前照灯为了防止白色 LED 灯过热 在各灯的背面设置了散热片 a 为了能更有效地散热 还设置了散热管 预防灯壳过热 b 通过这些措施 即使不使用基于冷却扇的强制空冷 也 可为白色 LED 灯散热 随着高输出功率封装的采用不断增加 近来 LED 照明器具大多在印刷底板中使用金属底板 不过 即便是金属底 板 确保充分散热还是越来越困难 对此 散热性高的新构造底板方案被提了出来 例如 电气化学工业研究的 AGSP 底板 采用在热传导较高的绝缘树脂中嵌入 Cu 突起 将 LED 的热量经由