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合理设计LED散热方案.pdf

合理设计LED散热方案

信控科技
2012-01-16 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《合理设计LED散热方案pdf》,可适用于IT/计算机领域

wwwthemegallerycomLOGO合理设计LED灯具的散热技术方案华南理工大学wwwplcworldcn一LED散热设计的必要性二热量对LED的危害分析三LED散热路径分析四LED散热分析模型五LED散热仿真软件六LED散热材料的选择七结语纲要wwwplcworldcn一LED散热设计的必要性wwwplcworldcnLED基本原理LED(LightEmittingDiode)发光二极管是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件它可以直接把电能转化为光能。pn结形成LED发光原理wwwplcworldcn根据光(流明)与功(瓦)以下的当量关系:Km=lmw也就是说W的辐通量在最理想的情况下(黑体辐射)可能产生lm光通量。所以即使LED的光效达到lmw也不能将全部能量转化为光能输出而其余的都转化为热能。从长远看LED灯具的散热问题将是一个长期存在的问题。wwwplcworldcn对于小功率LED(如普通的mmLED其功率仅为W)发热问题并不严重即使热阻较高(一般高于KW)采用普通的封装结构和材料也可保证使用。wwwplcworldcn目前中国LED路灯雄踞全球市场第一。去年中国科技部定案的“十城万盏”半导体照明应用工程试点政策是透过中央政策创造出市场需求的经济发展典范,但是市场第一线响应却不如预期。政策与市场的落差,除了LED标准尚未全然规范可供厂商遵循外,另一个潜伏的技术问题就是“LED路灯严重光衰”,导致安装不到一年的LED路灯无法通过使用单位认证验收。LED标准规范统一制定问题,已经逐渐得到解决。但“LED路灯严重光衰”就需要从LED散热技术从根本上来解决了。wwwplcworldcnLED电能光能~转换成剩下的几乎都转换成热能散热是关键wwwplcworldcn二热量对LED的危害分析wwwplcworldcn一般而言LED发光时所产生的热能若无法导出将会使LED结面温度过高进而LED的发光效率。温度对长波长LED发光效率影响较大对短波长LED的发光效率影响较小。、结温升高、发光效率降低wwwplcworldcnFromUSDOE白光琥珀色输出光通量相对值结点温度(C)结点工作温度wwwplcworldcn当LED的工作环境温度愈高会使LED寿命呈指数性缩减。有资料显示温度每升高℃寿命平均减少一半。元件温度每上升℃可靠性将下降l%。为了保证器件的寿命一般要求pn结的结温在℃以下。、工作温度升高使用寿命降低wwwplcworldcnFromUSDOECourtesyofLRC结点温度对白光LED寿命的影响(小时)光输出值wwwplcworldcnTJ=℃时寿命可达小时TJ=℃时寿命降到小时TJ=℃时寿命只有小时wwwplcworldcn、LED结温升高发光波长发生红移LED发光区材料的禁带宽度值直接决定了LED器件发光的波长或颜色。蓝光、白光LED材料属IIIV族化合物半导体。随着PN结的温度升高时材料的禁带宽度将减小导致器件发光波长变长颜色发生红移。据统计资料表明在℃的温度下波长可以红移~nm.LED的波长发生红移导致YAG荧光粉吸收率下降总的发光强度会减少白光色度变差。wwwplcworldcnTTT结温度TT>T>TnmLED输出光谱wwwplcworldcn三LED散热路径分析wwwplcworldcn在了解LED散热问题之前必须先了解其散热途径进而针对散热瓶颈进行改善。wwwplcworldcnLED灯珠内部结构wwwplcworldcn散热路径图wwwplcworldcn大功率LED的散热路径:管芯散热垫印制板敷铜层散热壳体环境空气LED散热路径wwwplcworldcnwwwplcworldcnLED灯具散热问题分为芯片pn结到外延层外延层到封装基板封装基板到外界环境三个层次。这三个环节构成了热传导的通道。wwwplcworldcn对大功率LED照明光源而言传导方式起最主要的作用为了取得好的导热效果三个导热环节应采用热导系数高的材料并尽量提高对流散热。这三个环节构成大功率LED光源热传导的主要通道热传导通道上任何薄弱环节都会使热导设计毁于一旦。wwwplcworldcnLED的热管理技术包括芯片、封装和系统集成方面的热管理。芯片方面:人们努力的提高材料的结晶质量或设计新型结构来提高芯片本身的内外量子效率比传统的低导热率的蓝宝石衬底芯片热阻更小封装方面:寻找适合LED封装的高导热封装材料一直是人们努力的目标另外在封装结构上如广泛应用的flipchip的封装方式缩短了传热通道降低了芯片的热阻在系统集成方面:各种制冷技术被广泛应用于LED灯具上……wwwplcworldcn热的传播方式:传导、对流、辐射wwwplcworldcnLED热传导散热传导:热量是通过逐个原子传递的所以不能采用高热阻的界面材料。热传导散热效果的好坏取决于材料本身零件间接触面传:就是要热流在不同的介质(零件)之间传递首先要保证传递的畅通这一点非常重要介质之间的接触情况决定了传递的效果导:就是热能在零件内部温度高的地方到温度低的地方是由材料本身的导热系数和截面形状决定。结论:、尽量减少中间环节、采用高导热材料、设计时每一相关环节都要考虑热流向优化。wwwplcworldcnLED对流散热对流热量通过流转的介质(空气、水)扩散和对流从散热器传递到周围环境中去故不要限制或阻止对流。又分强制对流和自然对流产品设计时就要考虑对流的利用空气能不能流动?如何流动需要考虑结构形状应用安装要求不同的表面形状表面纹理结构安装要求对空气的流动影响很大散热面积流动空气接触的有效散热面积起决定作用环境对散热影响灰尘鸟粪等对应用环境考虑不周是户外产品散热失效的一个主要因素wwwplcworldcn目前大量使用的白光LED的管芯上面涂布有荧光粉、灌封胶透镜等散热能力较差的材料存在他们在空气对流作用下对整体的散热贡献十分有限。热对流示意图wwwplcworldcn结论:、使空气流起来、增加有效散热面积、考虑环境(落灰)wwwplcworldcnLED辐射散热()辐射热量依靠电磁波经过液体、气体或真空传递。温度高时辐射温度低时吸热。有条件的话可以使用软件(如CFD等)来模拟可以收到事半功倍的效果。wwwplcworldcn由于大功率LED工作是主要发出的可见光没有红外辐射同时作为半导体产品的工作上限温度在℃左右而实际上一般在℃以下工作因此通过辐射所散发的热量对于大功率LED来说是十分微小的。wwwplcworldcn简式鳍片法主动散热法传统热管技术当前主要散热方法:wwwplcworldcn常见的散热片wwwplcworldcn四LED散热分析模型wwwplcworldcnLED分析方法:热电类比(热阻分析)热电类比(热阻分析):是传热学常用的研究方法。即将电学中的欧姆定律及电学中电阻的串并联理论应用于传热学热量传递现象的研究。热路与电路的相似性见下表。wwwplcworldcn热量转移与电量转移对应物理量及基本规律的比较wwwplcworldcn热阻基本概念LED热学设计的目的在于预言LED芯片的结温所谓结温是指LED芯片PN结的温度。热阻定义为热流通道上的温度差与通道上耗散功率之比。wwwplcworldcnLED热学模型LEDPN结内产生的热量从芯片开始沿着下述热学通道传输:PN结反射腔印刷板空气(环境)wwwplcworldcnLED热学模型总热阻可以表示为从结-环境这一热路(thermalpath)中各个单个热阻之和。BASBJSJA为芯片和芯片粘结剂到反射腔之间形成的热阻。为反射腔环氧树脂到印刷板间的热阻。为印刷板和接触环境空气的热沉之间组合的热阻结温计算:JAdAJPTTJSSBBAwwwplcworldcn多元LED热阻NREmitterLEDRArrayTotalBJBJ多元LED产品的热阻可以采用并联热阻的模型来确定NREmitterLEDRArrayTotalBJBJBJBJBJRNLEDRLEDRArrayTotal)()(BSSJBJRRRwwwplcworldcn五LED散热仿真软件wwwplcworldcn常用的散热仿真软件具有很强建模能力的热学软件wwwplcworldcn使用方便、功能强大的热仿真软件wwwplcworldcn采用有限元划分结合能量守恒定律进行热模拟的仿真软件wwwplcworldcn焊接面对热阻的影响在LEDBonding时固晶黏料不均匀会对LED的性能造成影响。如黏料的流逝、黏料孔状缺陷等会减少LED向下散热的面积增大LED的热阻。为此采用ANSYS有限元软件模拟了不同黏接面积的LED的温度分布。根据温度分布推得黏接面积对LED热特性的影响。wwwplcworldcn模拟三种不同Bonding条件下某样品的热阻:a为完全bonding的情形b为仅有一半bondingc为仅有一半bonding中间存在圆孔状缺陷用于表示在bonding时黏接层面某些部分无焊料的情形。图为三种不同的芯片下层焊料分布的情况。图焊料分布示意图wwwplcworldcn模拟的结果如图、、所示焊接面的bonding质量将影响LED的热阻。图完全bonding情况下LED器件及有源层的温度分布图一半bonding情况下LED器件及有源层的温度分布wwwplcworldcn三种不同的Bonding条件能够影响整个LED的温度和各个部件的温度分布。焊料层不均匀导致发光层各位置温度出现较大差值而出光受温度影响明显发光层上温度高的位置出光变弱这将影响LED的整体出光效率。图存在孔缺陷bonding情况下LED有源层的温度分布wwwplcworldcn芯片采用倒装方式封装由于出光性能及散热性能优异而备受重视LED芯片通过分离的凸点连接底部的散热基板。作为芯片与基板的散热通道热电分离的倒装芯片有源区散发的热量通过底部凸点向下传导到外部理论上对于形状一定的凸点来说凸点数目越多凸点越薄都能够降低LED的热阻。实际上凸点的Bonding形态和bonding质量都将影响到LED的热性能。倒装芯片焊点缺陷对热阻的影响wwwplcworldcn下图所示的是一种典型的倒装焊芯片结构在这种芯片结果中有个连接P型层的p凸点有个连接n型层的n凸点。图引入了单凸点缺失和双凸点缺失两种缺陷形态。倒装焊芯片凸点示例图wwwplcworldcn下图所示是各种凸点缺陷形态下得有源层的温度分布情况。即使无凸点确实的情况下有源层还存在度的温差。随着凸点缺陷的出现有源层出现了热点温度增大有源层的温差也随着加大。倒装焊芯片的凸点bonding质量及形态对LED的热性能有着重要影响。wwwplcworldcn各种缺陷形态下LED发光层的温度分布图wwwplcworldcn六LED散热材料的选择wwwplcworldcn目前散热器所采用的基本为金属材料这主要出于三方面的考虑:①导热性能好相对其它固体材料金属具有更好的热传导能力②易于加工延展性好高温相对稳定可采用各种加工工艺③易获取虽然金属也属不可再生资源但供货量大不需特殊工序价格也相对低廉依此确定了散热片所用材料类型具体种类的确定同样需以此为标准。散热材料的选择wwwplcworldcn基本单位为Wm·K即截面积为平方米的柱体沿轴向米距离的温差为开尔文时的热传导功率。热传导系数越大表示材料散热特性越好。热传导系数wwwplcworldcn银铜金铝铁锡铅热传导系数单位:WMk金属的热传导系数wwwplcworldcn常用材料的导热系数(℃测量数据)单位Wmk纯铝铸铝纯铜黄铜黄铜灰铸铁碳钢金银不锈钢影响物质导热系数的因素很多主要为物质的种类和温度、湿度、密度有关。wwwplcworldcn价格太高金、银热传导系数比较好材料分析wwwplcworldcn造价高、重量重、不耐腐蚀等纯铜散热效果则次之但已经算是非常优秀的了wwwplcworldcn现在大多数散热片都是采用轻盈坚固的铝材料制作的散热能力好铝合金风冷散热器wwwplcworldcn但散热没有铝快易出现氧化状态纯铜散热器导热性能比起铝要快得多wwwplcworldcn铜铝结合铜急速传热铝快速散热快速散热快速散热快速散热wwwplcworldcn敷上薄铜面散热散热单靠铝材的散热速率是不够的敷上薄铜面就形同一滴水在一平面上迅速达到平面的平衡扩散通过整个面的热传导至散热壳体将会有助于散热的效果。平衡扩散速率提高wwwplcworldcn七、结语wwwplcworldcn、LED灯具热管理涉及到三个方面:热量的产生(减少)、传导(多通道快速)、散发(快速)。、LED电源设计、LED光学设计与LED散热设计息息相关要通盘考虑。、只有了解LED灯具热量产业及传递的路径散热技术方案的设计才会更有针对性。、掌握材料的热学、光学参数借助热电类比分析模型从影响热量传递的各个环节上优选最合适的材料。、借助散热仿真软件模拟分析LED灯具的热量分布节省时间和成本优化散热设计方案。几点建议wwwplcworldcn简讯~日华南理工大学与广东省照明电器联合开办第二期LED实用技术培训班主要课程:、半导体照明技术概论、LED灯具的光学设计技术、LED灯具的电源设计技术、LED行业专利检索及申请技术、LED灯具的散热设计技术、LED灯具的标准、认证及检测技术欢迎大家参加交流学习wwwplcworldcn谢谢各位的参与wwwplcworldcn

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