LED路燈技術(shù)探討

許多企業(yè)都看好這個(gè)朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展空間，特別是半導(dǎo)體戶外照明的明顯節(jié)能優(yōu)勢(shì)。近2年一哄而上的諸多企業(yè)，在還不甚了解半導(dǎo)體道路照明制作的特點(diǎn)下，模擬、仿造、沿著現(xiàn)今的常規(guī)照明路燈多種“蛇頭”形狀制作，一時(shí)間“百家爭(zhēng)鳴，百花齊放”的產(chǎn)品紛紛推向市場(chǎng)。經(jīng)過這兩年上路實(shí)驗(yàn)情況的檢驗(yàn)，大部分的產(chǎn)品均存在不同程度的問題。

具體表現(xiàn)在：

1.由于對(duì)LED光源工作條件的要求不甚了解造成光衰減嚴(yán)重甚至于死燈。

本人針對(duì)以上問題與大家一起討論解決方案：
對(duì)LED光源的工作環(huán)境這個(gè)問題的討論，需具備了解LED的基本常識(shí)；其現(xiàn)今大功率LED發(fā)光效率約為30％，70％將是熱能，需要將其散熱處理。大功率白光LED的結(jié)溫TJ在亮度衰減70％時(shí)與壽命的關(guān)系可看出：TJ=50℃時(shí)，壽命為90000小時(shí)，TJ=80℃時(shí)，壽命降到34000小時(shí)，TJ=115℃時(shí)，其壽命只有13300小時(shí)了。TJ在散熱設(shè)計(jì)中要提出最大允許結(jié)溫值TJmax，實(shí)際的結(jié)溫值TJ應(yīng)小于或等于要求的TJmax，即TJ≤TJmax。

從以上的測(cè)試數(shù)據(jù)圖示經(jīng)測(cè)試發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度其結(jié)溫溫度應(yīng)（＜85℃）。高于此溫度范圍效率將大大降低，甚至于燒毀?？梢钥闯鰷囟葘?duì)其直接影響的重要性。特別值得一提的是，對(duì)散熱材料的熱平衡速度要求重視度，造成光源的熱得不到有效的處理引起光衰減嚴(yán)重。現(xiàn)在許多生產(chǎn)廠家大功率LED的熱沉散熱殼體應(yīng)用基本采用不同的合金鋁材料，其導(dǎo)熱系數(shù)不一，一些材料的散熱速率難以滿足LED工作條件。不可忽略的鋁基板及導(dǎo)熱硅膠，硅脂材料的導(dǎo)熱環(huán)節(jié)，使用材料的實(shí)際壽命質(zhì)量，將直接影響LED的工作散熱條件。如何減少中間環(huán)節(jié)，直接與熱沉散熱近距離接觸將熱量快速達(dá)到平衡的有效散熱，是現(xiàn)今高質(zhì)量的LED燈具產(chǎn)品開發(fā)需考慮的方向。

先從材料分析：

金屬的熱傳導(dǎo)系數(shù)表：
銀 429銅 401金 317鋁 237鐵 80錫 67鉛 34.8
銀熱傳導(dǎo)系數(shù)比較好，但缺點(diǎn)就是價(jià)格太高，純銅散熱效果則次之，但已經(jīng)算是非常優(yōu)秀的了。不過銅也有缺點(diǎn)：造價(jià)高、重量重、不耐腐蝕等。所以現(xiàn)在大多數(shù)散熱片都是采用輕盈堅(jiān)固的鋁材料制作的，其中鋁合金的熱傳導(dǎo)能力最好，好的風(fēng)冷散熱器一般采用鋁合金制作。至于銅，目前市場(chǎng)上也出現(xiàn)了純銅的散熱器，銅的導(dǎo)熱性能比起鋁要快的多，但銅的散熱沒有鋁快，銅可以快速的把熱量帶走，但無(wú)法在短時(shí)間內(nèi)把本身的熱量散去，另外銅的可氧化性是銅本身最大的弊病。當(dāng)銅一旦出現(xiàn)氧化狀態(tài)，從導(dǎo)熱和散熱方面都會(huì)大大的下降。
從對(duì)比上看，最好的散熱材料也并不是鋁材。銅和鋁的對(duì)比中形成了一種新型的工藝——銅鋁結(jié)合。所謂的銅鋁結(jié)合就是把銅和鋁用一定的工藝完美的結(jié)合到一塊，讓銅快速的把熱量傳給鋁，再由大面積的鋁把熱量散去，這不但增充了鋁的導(dǎo)熱不及銅，還彌補(bǔ)了銅的散熱不如鋁，有機(jī)的結(jié)合從而達(dá)到急速傳熱快速散熱的效果。

作為解決辦法，
其作用是用來(lái)向散熱片傳導(dǎo)鋁基板散發(fā)出來(lái)的熱量，使鋁基板溫度保持在一個(gè)可以穩(wěn)定工作的水平，防止鋁基板因?yàn)樯岵涣级鴵p毀，并延長(zhǎng)使用壽命。
導(dǎo)熱系數(shù)（Thermal Conductivity）
導(dǎo)熱系數(shù)的單位為W/m?K（或W/m?℃），表示截面積為1平方米的柱體沿軸向1米距離的溫差為1開爾文（K=℃+273.15）時(shí)的熱傳導(dǎo)功率。數(shù)值越大，表明該材料的熱傳遞速度越快，導(dǎo)熱性能越好。
目前主流導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)均大于1W/m?K，優(yōu)秀的可達(dá)到6W/m?K以上，是空氣的200倍以上。但是和銅鋁這些金屬材料相比，導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)只有它們的1/100左右，換而言之，在整個(gè)散熱系統(tǒng)中，硅脂層其實(shí)是散熱瓶頸之所在。對(duì)于一個(gè)散熱系統(tǒng)而言，不僅是散熱器的事，導(dǎo)熱介質(zhì)也是很重要的組成部分：
散熱系統(tǒng)的總熱阻 = 散熱器熱阻 + 導(dǎo)熱介質(zhì)熱阻
值得大家注意的是普通導(dǎo)熱硅脂在高溫環(huán)境中使用一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)“干化”或“硬化”現(xiàn)象，將會(huì)大大影響散熱效果。因此在鋁基板與熱沉之間的導(dǎo)熱環(huán)節(jié)需重視。
有關(guān)人士正研究在熱沉材料上進(jìn)行特殊的陶瓷化處理直接安裝線路，經(jīng)過這樣的優(yōu)化后將會(huì)根本解決散熱的導(dǎo)熱環(huán)節(jié)。

LED頂棚燈、LED洗墻燈、LED投光燈、LED隧道燈等，一套方案多款燈具。
散熱材料，導(dǎo)熱環(huán)節(jié)和科學(xué)化的造型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在現(xiàn)今大功率LED路燈的制作中，值得大家去感悟。從LED路燈市場(chǎng)的置疑甚至排斥，走到了現(xiàn)在的嘗試與接納，我們看到了前景的曙光，但我們還需要一段路要走。隨著大功率LED光效的不斷提高和硅基LED日新月異的發(fā)展，將根本解決半導(dǎo)體照明光源高價(jià)格的瓶頸，讓我們共同攜起手來(lái)摸索與探討，相信在大家的努力下，用第四代光源做出更好的LED路燈照明燈具，取代高壓鈉路燈這段路不會(huì)很遠(yuǎn)！

歸根結(jié)底，“銅比鋁吸熱快，銅沒有鋁散熱快”這句話的科學(xué)依據(jù)是什么呢？可能諸位能夠明確說出來(lái)的就很少了，今天小編就給大家講講這個(gè)現(xiàn)象的根本原理。
　傳熱系數(shù)的通俗定義是“在單位溫差下，單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的熱量”，單位是J/m2ks，或者W/m2k，其中J是熱量單位焦耳，m2表示面積單位平方米，K是溫度單位開爾文，也可以用攝氏溫標(biāo)的C代替，s是時(shí)間單位秒。從圖上看銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)約是鋁的1.69倍，因此用銅和鋁來(lái)制造相同截面積的散熱器，單位時(shí)間內(nèi)純銅的比純鋁能從CPU核心帶走更多熱量，“銅比鋁吸熱快”，前面半句已經(jīng)論證完畢。

材料 比熱容J/kgK
鋁 0.9
銀 0.24
銅 0.39
金屬比熱容對(duì)比表

　　而后面半句“銅沒有鋁散熱快”，事實(shí)確實(shí)如此。證明這個(gè)需要引出另一個(gè)重要熱力學(xué)參數(shù)：比熱。學(xué)過中學(xué)物理的人都知道比熱的定義是“使單位質(zhì)量的物質(zhì)溫度提升1度需要的熱量”，單位是J/kgK。大家也從上面的表中看出銅的比熱容比鋁要小，銅降低1度的溫度，散發(fā)的熱量應(yīng)該比鋁小，這樣說來(lái)，銅應(yīng)該比鋁散熱快。但是大家也許沒注意到銅的密度是8.9kg/m3，而鋁的只有是2.7kg/m3，接近鋁的3.3倍，因此制成同樣體積的散熱片，質(zhì)量方面銅會(huì)比鋁大近3.3倍，純銅材質(zhì)比純鋁材質(zhì)的熱容量還是大將近一半。熱容量大了，散熱就變得慢了。通過上述理論的說明，“銅沒有鋁散熱快”的原因我們也找到了。

　　這樣我們就從根本上明白了“銅比鋁吸熱快，銅沒有鋁散熱快”的原因。以后在選擇散熱器的時(shí)候，可以運(yùn)用此理論，如果選擇純銅散熱器，應(yīng)選擇配備轉(zhuǎn)速較高，風(fēng)量較大的風(fēng)扇產(chǎn)品，避免銅的熱量散發(fā)不了，產(chǎn)生散熱瓶頸。

材料 熱傳導(dǎo)率K (W/m2K)
銀 429
銅 401
金 317
鋁 237
金屬熱傳導(dǎo)率對(duì)比表

硅化碳導(dǎo)熱系數(shù)：20大卡/米·小時(shí)·度 (隨溫度變化很小)
其它物理性能如下：
密度：3.2克/厘米3
莫氏硬度：9.5
比 熱：0.17千卡/公斤·度
線膨脹系數(shù)：5×10-6(m/℃)
化學(xué)性質(zhì)：
有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，抗酸能力強(qiáng)。在高溫條件下堿性物質(zhì)對(duì)其有侵蝕作用。
在1000℃以上長(zhǎng)期使用能與氧氣和水蒸氣發(fā)生如下作用：
①SiC+2O2→Sio2+CO2 ②SiC+4H2O＝Sio2+4H2+CO2
致使元件中SiO2含量逐漸增多，電阻隨之緩慢增加，為之老化。如水蒸氣過多，會(huì)促進(jìn)SiC氧化，由②式反應(yīng)產(chǎn)生的H2與空氣中的O2給合H2O再反應(yīng)產(chǎn)生惡性循環(huán)，降低壽命。氫氣(H2)能使元件機(jī)械強(qiáng)度降低。氮?dú)?N2)在1200℃以下能防止SiC氧化1350℃以上與Si發(fā)生反應(yīng)，使SiC分解。氯氣(Cl2)能使Sic完全分解。

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鋁基板在LED及PCB行業(yè)中，大家并不陌生，雖然人人都在強(qiáng)調(diào)要求板材的導(dǎo)熱要大，要好，熱阻要小。但我想很多人對(duì)鋁基板什么是導(dǎo)熱，什么是熱阻的具體定義還不是很清楚。

鋁基板所謂的導(dǎo)熱系數(shù)：導(dǎo)熱系數(shù)又稱為熱傳導(dǎo)系數(shù)，熱傳導(dǎo)率，熱導(dǎo)率。它表示物質(zhì)熱傳導(dǎo)性能的物理量，是當(dāng)?shù)葴孛娲怪本嚯x為1m,其溫度差為1℃,由于熱傳導(dǎo)而在1h內(nèi)穿過1m2面積的熱量（千卡）。它的表示單位為：千瓦/米.小時(shí).℃ [kw/(m.h.℃)]

如果需要基板材料擔(dān)負(fù)更大的散熱功效，所采用的基板材料要求是具有高導(dǎo)熱系數(shù)（熱傳導(dǎo)率）。如果需要通過基板材料能夠起到隔絕熱的功效，那么就希望所用的基板材料的導(dǎo)熱系數(shù)越低越好。

鋁基板的熱阻：定量描述一種物體的導(dǎo)熱性能，可以用導(dǎo)熱系數(shù)，也可以用另外一種特性參數(shù)來(lái)表達(dá)，它就是“熱阻”。有關(guān)專著提出：導(dǎo)熱系數(shù)適于表征一種均勻材質(zhì)的材料的導(dǎo)熱性能，而作為多種材料復(fù)合的基板材料，它的導(dǎo)熱性能更適合于用熱阻來(lái)定量描述。

在熱傳導(dǎo)的方式下，物體兩側(cè)的表面溫度之差（簡(jiǎn)稱溫差）是熱量傳遞的推動(dòng)力。熱阻（Rr）等于這種溫差（T1-T2)除以熱流量（P）。因此，基板材料的熱阻越小說明它的導(dǎo)熱性越高

高效導(dǎo)熱陶瓷基板和墊片, 導(dǎo)熱效率高, 導(dǎo)熱系數(shù): 24W/M.K; 耐高溫/耐高壓, 受熱均勻, 散熱快; 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊, 體積小, 發(fā)熱元件耐酸堿腐蝕, 經(jīng)久耐用; 符合歐盟ROHS環(huán)保標(biāo)準(zhǔn).

陶瓷基板DCB是指銅箔在高溫下直接鍵合到氧化鋁(AL2Q3)或氮化鋁(ALN)陶瓷基片表面( 單面或雙面)上的特殊工藝方法。所制成的超薄復(fù)合基板具有優(yōu)良電絕緣性能，高導(dǎo)熱特性，優(yōu)異的軟釬焊性和高的附著強(qiáng)度，并可像PCB板一樣能刻蝕出各種圖形，具有很大的載流能力。因此，DCB基板已成為大功率電力電子電路結(jié)構(gòu)技術(shù)和互連技術(shù)的基礎(chǔ)材料，也是本世紀(jì)封裝技術(shù)發(fā)展方向“chip-on-board”技術(shù)的基礎(chǔ)。