LED照明燈具熱傳遞基本路徑分析(詳圖)

作者：時間：2011-05-16 來源：網絡

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　　1、引言

　　在全球性的能源短缺和環(huán)境污染加劇的今天,LED以其節(jié)能環(huán)保的特點有著廣闊的應用空間。與傳統(tǒng)照明燈具相比,它同時也具有亮度高、能耗低、壽命長、方向性好、響應快等優(yōu)點。然而如果LED光源不能很好散熱、它的壽命及各種性能參數(shù)也會受影響。因此,了解LED燈具發(fā)熱原因和熱傳路徑,運用合理的熱傳材料和科學的散熱解決方案,對于推廣大功率LED 照明起到一個非常重要的作用。

　　2、熱對LED的影響

　　LED是個光電器件,其工作過程中只有 15%～25%的電能轉換成光能,其余的電能幾乎都轉換成熱能,使LED 的溫度升高。在大功率LED 中,散熱是個大問題。按照目前芯片材料的耐溫水平,通常結溫不能大于150oC,且較高的結溫對LED燈具產生較多不良影響。

　　2.1 結溫對LED光輸出的影響

　　實驗指出,當LED的結溫升高時,器件的輸出光強度將逐漸減小;而當結溫下降時,光輸出強度將增大,一般情況下,這種變化是可逆與可恢復的,當溫度回到原來的值,光強也會回復到原來的狀態(tài)。如下圖1：

　　圖1 結溫對LED光輸出的影響

　　2.2 結溫對發(fā)光波長的影響

　　結溫所引致的LED發(fā)光波長的變化將直接造成人眼對LED發(fā)光顏色的不同感受。對于一個LED器件,發(fā)光區(qū)材料的禁帶寬度值直接決定了器件發(fā)光的波長或顏色。InGaAlP與InGaN材料屬III-V族化合物半導體 ,當它們溫度升高時,材料的禁帶寬度將減小,導致器件發(fā)光波長變長,顏色發(fā)生紅移。

　　有經驗公式表明,波長與結溫Tj的關系為：

　　λ(T2)=λ(T1)+kΔT

　　其中：λ(T2)表示結溫T2時的波長;λ(T1)表示結溫T1時的波長;K表示波長隨溫度變化的系數(shù)。

　　2.3 結溫對LED正向電壓的影響

　　正向電壓是判定LED性能的一個重要參量,它的數(shù)值取決于半導體材料的特性,芯片尺寸以及器件的成結與電極制作工藝。對于一個確定的LED芯片 ,二端的正向壓降與溫度的關系可由下式表示：

　　VfT= VfTo+K(T-To)

　　式中：VfT與VfTo分別表示結溫為T與To時的正向壓降,K是壓降隨溫度變化的系數(shù) 。

　　2.4結溫對發(fā)光效率ηv的影響

　　LED發(fā)光效率用公式表現(xiàn)如下：

　　在輸入功率一定時：

　　1. 熱量↑ 結溫Tj↑ 正向壓降Vf↓電流If↑ 熱量↑ 發(fā)光效率ηv ↓ ↓

　　2. LED內部會形成自加熱循環(huán),如果不及時引導和消散LED的熱量,LED的發(fā)光效率將不斷降低。

　　2.5 高溫下器件性能的衰變

　　在高溫下,LED的光輸出特性除會發(fā)生可恢復性的變化外,還將隨時間產生一種不可恢復的永久性的衰變。

　　通常有以下原因促成高溫條件下LED器件輸出性能的永久性衰減：

　　1. 材料內缺陷的增殖,侵入發(fā)光區(qū),形成大量的非輻射復合中心,嚴重降低器件的注入效率與發(fā)光效率。

　　2. 另外,在高溫條件下,材料內的微缺陷及來自界面與電板的快擴雜質也會引入發(fā)光區(qū),形成大量的深能級,同樣會加速LED器件的性能衰變。

　　3. 高溫時,LED封裝環(huán)氧的變性,是LED性能衰變乃至失效的又一個主要原因。

　　3、LED燈具熱傳路徑分析

　　3.1 LED熱性能參數(shù)

　　LED芯片的散熱方式主要是傳導和對流。其中,衡量散熱性能的一個重要指標為結溫Tj,其表達式為：

　　TJ= TA+Rth×PD

　　式中：PD為熱耗散功率 ,Rth為LED的熱阻,Tj和Ta分別為結溫和環(huán)溫。通常,對于同樣大小功率的LED燈具來講,其結溫越小,則性能越好。

　　3.2 高功率LED燈具熱傳路徑

　　對于高功率LED照明燈具,它的結構形式也不盡相同,其傳熱途徑和熱阻也略有區(qū)別。然而其大體上可沿著以下路徑傳導：結點、熱沉、MCPCB 、散熱器、空氣。以下三圖較為形象地加以說明：

　　圖2 LED照明熱傳路徑(a)

　　圖3 LED照明熱傳路徑(b)

　　圖3 LED照明熱傳路徑(c)

　　4 、LED燈具散熱模塊熱傳材料介紹

　　4.1 LED散熱基板材料

　　在LED產品應用中,通常需要將多個LED光源組裝在一電路基板上。電路基板除了扮演承載LED模塊結構的角色外,另一方面,隨著LED輸出功率越來越高,基板還必須扮演散熱的角色,以將LED晶體產生的熱傳派出去,因此在材料選擇上必須兼顧結構強度及散熱方面的要求。

　　傳統(tǒng)LED由于LED發(fā)熱量不大,散熱問題不嚴重,因此只要運用一般的銅箔印刷電路板(PCB)即可。但隨著高功率LED越來越盛行PCB已不足以應付散熱需求。因此需再將印刷電路板貼附在一金屬板上,即所謂的Metal Core PCB,以改善其傳熱路徑。另外也有一種做法直接在鋁基板表面直接作絕緣層或稱介電層,再在介電層表面作電路層,如此LED模塊即可直接將導線接合在電路層上。

　　除此之外,新型發(fā)展起來的散熱基板材料,還有陶瓷基板(Ceramic Substrate) 、直接銅結合基板(Direct Copper Bonded Substrate) 、LED復合材料基板(Composite Substrate)等。

　　接下來介紹了幾種常見的LED基板材料,并作了比較。

　　應根據(jù)實際產品應用選擇基板材料,低功率LED發(fā)熱量不大,用PCB基板即可,對高功率LED,為滿足其散熱要求,采用MCPCB基板。我們平日所見的大功率LED照明燈具大多數(shù)使用的是鋁基的MCPCB。

　　4.2 LED界面材料

　　由于散熱器底面與鋁基板表面之間會存在很多溝壑或空隙,其中都是空氣。由于空氣是熱的不良導體,所以空氣間隙會嚴重影響散熱效率,使散熱器的性能大打折扣,甚至無法發(fā)揮作用。為了減小芯片和散熱器之間的空隙,增大接觸面積,必須使用導熱性能好的導熱材料來填充,如導熱膏、導熱墊片、導熱硅酯、導熱黏合劑、相轉變材料等。

　　圖5 LED接合界面

　　4.3 散熱器

　　散熱器的作用就是吸收基板或芯片傳遞過來的熱量,然后發(fā)散到外界環(huán)境,保證LED芯片的溫度正常。絕大多數(shù)散熱器均經過精心設計,可適用于自然對流和強制對流的情況。即主動式散熱器和被動式散熱器。其各自的性能特點見下表：

　　當然,對于大功率照明用LED燈具,被動式散熱器(即不含風扇的散熱器)應用更為廣泛。通常我們選用的散熱器材料要同時具有高比熱和高熱傳導系數(shù),鋁的這兩個參數(shù)都居于前列,是一個相當不錯的選擇。目前絕大多數(shù)散熱器都采用鋁合金作為主要材料,最為廣泛的鋁擠散熱器和鋁壓鑄散熱器。

　　鋁擠型散熱器

　　鋁壓鑄型散熱器(點擊圖片查看原圖)

　　Fin片型散熱器

　　對于大功率LED照明燈具,也有不少廠家推出各種較為新穎的主動散熱器模組,如Fin片+風扇、Fin片+熱管、液體強迫對流、微通道致冷、相變致冷等。尤其是將相變傳熱的熱管和扁平熱管(Vapor chamber)技術引入LED照明設計中,更衍生出各種效果明顯的散熱產品。以下為筆者根據(jù)自身多年散熱經驗,正在開發(fā)的一些散熱方案或構想,有興趣的朋友可以按此方向做一些設計和實驗。