LED灯具散热技术课件

1、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灯具散热设计第1页，共100页。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。显色性寿命效率白炽灯好 100短 1000小时低

2、 8-15 1m/W钠 灯差 -4560较长 10000小时高 110 1m/W第2页，共100页。 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）光源更换频率第3页，共100页。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。第4页，共100页。LED光源能大大降低百万

3、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元第5页，共100页。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。第6页，共100页。6

4、.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年份2004 2005 2006 2007 200820092010lm/W 30 60 100 134 161186*208*商品（25） （45）（70）（90）（110）（130）5 169 249第7页，共100页。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

5、灯 正在解决中.第8页，共100页。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。第9页，共100页。第10页，共100页。第11页，共100页。第12页，共100页。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

6、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%）第13页，共100页。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-85.67X10 W/（m .k ）4 2第14页，共100页。2、热

7、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 第15页，共100页。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)第16页，共100页。下表

8、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第17页，共100页。 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第18页，共100页。 四、散热的传统措施1.强制（主动）散热 （1）风冷 （2）水冷（包括

9、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 防积灰第19页，共100页。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。材料热导系数（W/mk）材料热导系数（W/mk）Si125-150银427SiC283铜398Al2O3(蓝宝石)35-40金315Al2O3(刚玉)20-27铝237AlNa170-200 b285AA6061 铝合金155SiO21.2AA6063 铝合金201GaAs44-58AA1070 铝合金226GaNa130 b170-180 AA1050 铝合金

10、209InGaN170ADC12 铝合金96导热硅胶0.5-2.0黄铜109银胶1.5-25铟81.8-86Au-Sn(80-20)57.3锡67第20页，共100页。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、直管热管第21页，共100页。毛细头平衡时有:上升高度h:就是毛细头,它是热管循

11、环的基本推动力第22页，共100页。热管工作示意图第23页，共100页。第24页，共100页。第25页，共100页。序号热量长度园翼直径热阻耗散功率L(mm)(mm)Rja(C/W)(W)a502018.86b662014.58c802012.010d110209.912e603010.012f80309.113g110306.618h80485.621.5i110484.228.5j110752.942不同大小热管的性能（1mm2 )倒装芯片）第26页，共100页。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

12、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）第27页，共100页。第28页，共100页。第29页，共100页。第30页，共100页。 3、平板热管 直管热管是一维导热 平管热管是二维导热 效率明显提高第31页，共100页。六、LED发光效率与热转换分析第32页，共100页。 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）

13、 3）增强耐热性（Lumileds） 4）减少漏电流（弗吉尼亚大学研究组）第33页，共100页。2、提高出光效率（增光） 1）表面粗化、微透镜 2）光子晶体 3）高折射率封装材料第34页，共100页。（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。第35页，共100页。（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、高导热材料第36页，共100页。 目前解决LED

14、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）第37页，共100页。 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？第38页，共100页。第39页，共100页。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

15、 （203/W）第40页，共100页。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。第41页，共100页。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、优良的对流设计第42页，共100页。 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）第43页，共100页。 主动冷却

16、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）低功耗第44页，共100页。第45页，共100页。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卤钨灯第46页，共100页。 （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第47页，共100页。第48页，共100

17、页。 （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第49页，共100页。 IEEE transactions on components and packaging technologies Vd 33 . pp25 . 2010第50页，共100页。 （1）Dan schlitz , vishal singhal 普渡大学毕业

18、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）固态风扇第51页，共100页。第52页，共100页。 （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）热管第53页，共100页。 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、

19、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第54页，共100页。九、LED灯具的热学设计1、LED灯具的散热通道第55页，共100页。2、结温和热阻的测量第56页，共100页。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） 测试电路如图第57页，共100页。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

20、供电，及时测得VF2 如图所示 第58页，共100页。第59页，共100页。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功率大小而定第60页，共100页。 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

21、具的帮命。第61页，共100页。Tj-TbIfVf 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)第62页，共100页。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.

22、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第63页，共100页。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

23、位为/W 第64页，共100页。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。第65页，共100页。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）

24、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。第66页，共100页。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！第67页，共100页。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。材料热导系数（W/mk）材料热导系数（W/mk）Si125-150银427SiC283铜398Al2O3(蓝宝石)35-40金315Al2O3(刚玉)20-27铝237AlNa170-20

25、0 b285AA6061 铝合金155SiO21.2AA6063 铝合金201GaAs44-58AA1070 铝合金226GaNa130 b170-180 AA1050 铝合金209InGaN170ADC12 铝合金96导热硅胶0.5-2.0黄铜109银胶1.5-25铟81.8-86Au-Sn(80-20)57.3锡67第68页，共100页。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

26、； MVPLED 银浆 2.23 /W； 蓝宝石 100m 银浆 4.95 /W； 蓝宝石 150m 银浆 6.41/W 。第69页，共100页。MVP 功率LED热阻分析导热路径有源层衬底固晶层热沉材料InGaNCuAu-SnCu(W/mk(mm)0.0050.0750.02 0.9 0.7S(mm)1.01.01.07.122.0层热阻0.02940.01880.23000.1030.60R总0.9812(K/W)=0.703第70页，共100页。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） 3.773

27、、硅封底金球倒芯片/银胶固晶 5.844、硅封底金球倒芯片/共晶固晶（Au-Sn） 4.305、A/N封底共晶倒芯片/银胶固晶 3.626、A/N封底共晶倒芯片/共晶固晶（Au-Sn） 2.097、MV芯片/共晶固晶（Au-Sn） 0.98第71页，共100页。 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

28、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。第72页，共100页。（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。第73页，共100页。 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.

29、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”.第74页，共100页。第75页，共100页。第76页，共100页。第77页，共100页。第78页，共100页。第79页，共100页。第80页，共100页。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

30、验几无变化!第81页，共100页。第82页，共100页。第83页，共100页。第84页，共100页。3、伟志光电(1)组件第85页，共100页。（2）LED路灯第86页，共100页。4、三维传热第87页，共100页。第88页，共100页。第89页，共100页。第90页，共100页。5、简单LED灯具热导计算模型 甲 乙第91页，共100页。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

31、皮处于空气中的对流换热的热阻 第92页，共100页。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_ K

32、5 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 第93页，共100页。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 显然太高第94页，共100页。改进方案 以0.3mm厚的电解铜散热板 如乙 其它部份不变