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LED灯为什么需要散热?

作者:ad  日期:3/31/2017 4:12:56 PM

   随着半导体产业的发展,作为21世纪最具发展前景的新型绿色光源,LED照明逐渐渗透到各行各业中。LED照明与传统照明技术有着较大的差别,目前LED光效不到30%,也就是说大约70%的电能都变成了热能。LED的光衰或其寿命直接和其结温有关,散热不好结温就高,寿命就短,所以说LED照明灯具的可靠性(寿命)很大程度上取决于散热水平。依照阿雷纽斯法则温度每降低10℃寿命会延长2倍。从CREE公司发布的光衰和结温的关系图中可以看出,结温假如能够控制在65°C,那么其光衰至70%的寿命可以高达10万小时!如何提高散热水平成为LED照明的关键技术之一。图1.光衰和结温的关系
而且,结温不但影响长时间寿命,也还直接影响短时间的发光效率,例如Cree公司的XLamp7090XR-E的发光量和结温的关系如图2所示。图2.结温和发光量的关系

假如以结温为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。除此以外LED的发热还会使得其光谱移动;色温升高;正向电流增大(恒压供电时);反向电流也增大;热应力增高;荧光粉环氧树脂老化加速等等种种问题,所以说,LED的散热是LED灯具的设计中最为重要的一个问题。

第一部分LED芯片的散热一.结温是怎么产生的LED发热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的光效目前只有100lm/W,其电光转换效率大约只有20~30%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因素所引起的。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。虽然白炽灯的光效很低,只有15lm/W左右,但是它几乎将所有的电能都转化为光能而辐射出去,因为大部分的辐射能是红外线,所以光效很低,但是却免除了散热的问题。二.LED芯片到底板的散热LED芯片的特点是在极小的体积内产生极高的热量。而LED本身的热容量很小,所以必须以最快的速度把这些热量传导出去,否则就会产生很高的结温。为了尽可能地把热量引出到芯片外面,人们在LED的芯片结构上进行了很多改进。为了改善LED芯片本身的散热,其最主要的改进就是采用导热更好的衬底材料。早期的LED只是采用Si硅作为衬底。后来就改为蓝宝石作为衬底。但是蓝宝石衬底的导热性能不是太好,(在100°C时约为25W/(m-K)),为了改善衬底的散热,Cree公司采用碳化硅硅衬底,它的导热性能(490W/(m-K))要比蓝宝石高将近20倍。而且蓝宝石要使用银胶固晶,而银胶的导热也很差。而碳化硅的唯一缺点是成本比较贵。目前只有Cree公司生产以碳化硅为衬底的LED。
图3.蓝宝石和碳化硅衬底的LED结构图
采用碳化硅作为基底以后,的确可以大为改善其散热,但是其成本过高,而且有专利保护。最近国内的厂商开始采用硅材料作为基底。因为硅材料的基底不受专利的限制。而且性能还优于蓝宝石。唯一的问题是GaN的膨胀系数和硅相差太大而容易发生龟裂,解决的方法是在中间加一层氮化铝(AlN)作缓冲。LED芯片封装以后,从芯片到管脚的热阻就是在应用时最重要的一个热阻,一般来说,芯片的接面面积的大小是散热的关键,对于不同的额定功率,要求有相应大小的接面面积。也就表现为不同的热阻。几种类型的LED的热阻如下所示:早期的LED芯片主要靠两根金属电极而引出到芯片外部,最典型的就是称为ф5或F5的草帽管,它的散热完全靠两根细细的金属导线引出去,所以散热效果很差,热阻很大,这也就是为什么这种草帽管的光衰很严重的原因。此外,封装时采用的材料也是一个很重要的问题。小功率LED通常采用环氧树脂作为封装材料,但是环氧树脂对400-459nm的光线吸收率高达45%,很容易由于长期吸收这种短波长光线以后产生的老化而使光衰严重,50%光衰的寿命不到1万小时。因而在大功率LED中必须采用硅胶作为封装材料。硅胶对同样波长光线的吸收率不到1%。从而可以把同样光衰的寿命延长到4万小时。下面列出各家LED芯片公司所生产的各种型号LED的热阻由表中可见,Cree公司的LED的热阻因为采用了碳化硅作基底,要比其他公司的热阻至少低一倍。大功率LED为了改进散热通常在基底下面再放一块可焊接的铜底板以便焊到散热器上去。这些热阻实际上都是在这个铜底板上测得的。第二部分:LED灯具的散热前面讲的是LED芯片的散热,然而任何LED都会制成灯具,所以LED芯片所产生的热量最后总是通过灯具的外壳散到空气中去。如果散热不好,因为LED芯片的热容量很小,一点点热量的积累就会使得芯片的结温迅速提高,如果长时期工作在高结温的状态,它的寿命就会很快缩短。然而这些热量要能够真正引导出芯片到达外部空气,要经过很多途径。具体来说,LED芯片所产生的热,从它的金属散热块出来,先经过焊料到铝基板的PCB,再通过导热胶才到铝散热器。所以LED灯具的散热实际上包括导热和散热两个部分。1、铝基板的导热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,其厚度在35?m-280?m之间。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。2、导热胶的导热铝基板虽然已经解决了从LED连接到以铝板为基板的电路上,可以把热传递到铝板上,但是遗憾的是,这个铝板往往还不是最终的散热器,通常还要把这个铝板连接到真正的散热器上去。最简单的方法就是用铆钉或螺钉的方法连接到散热器。但是这种方法往往会形成空气隙,而很小的空气隙产生的热阻会比其他热阻大几十倍。

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。3、冷锻散热在很多场合需要把LED所产生的热量以最快的速度传送到散热器,这在大功率LED中尤其重要,因为它的热量很大(功率可达60W-200W),这时候就必须采用非常良好純铝冷锻散热器了,主要优势体现在重量轻、散热面积大、热传导系数高,系统总成本低。100W工矿灯热模拟仿真图三部分:系统的热阻各部分的导热能力也可以用系统的热阻来说明,一个LED灯具的结构图。从图中可以看出,LED芯片所产生的热,从它的金属散热块出来,先经过焊料到铝基板的PCB,再通过导热胶才到铝散热器。而要定量地了解LED芯片的散热过程,最好利用热阻的概念。热量就好像电荷,热量流动起来就好像电流,流动的过程中会遇到阻力,就好像电阻,在这里我们称之为热阻。热阻的单位为每瓦多少度(°C/W),也就是每流过1瓦的功率会上升多少度。如果知道所需耗散的功率,又知道其热阻,就可以知道它的温升是多少。热阻越大,热量越流不动,温升就越高,热阻越小,热量流动越快,温升就越小。图中表明热量从LED芯片流出到空气需要经过很多不同的热阻。


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