目前LED散热的方法有铝散热鳍片、导热塑料壳、表面辐射散热处理、空气流体力学、风扇、导热管等。当前LED主要的散热技术有3种,下面进行简单介绍。
(1)铝挤压技术
一般常用的铝挤型材料为AL6063,其具有良好的导热系数[约200W/(m·K)]与加工性。其优点是易加工,成本低,技术成熟;缺点是安装受限较多,易变形。
注意:未经氧化处理的铝易自然腐蚀,导致导热系数下降。
(2)铝压铸技术
一般常用的压铸型铝合金为ADC12,适用于做薄铸件,但导热系数较差[约96W/(m·K)]。其优点是可进行一体化无隙设计,防水效果较好;缺点是模具费用较高,散热效果一般,灯体较笨重。
(3)热管技术
一般采用热管加fin片的形式。fin片材质一般是AA1050[Al,导热系数约为200W/(m·K)]或c1100[Cu,导热系数约为400W/(m·K)],导热管材质结构复杂,具有几乎完美的导热系数[约80000~110000W/(m·K)]。其优点是有良好的散热效果,质量轻;缺点是对空间有一定要求,不能承受较大力度冲击,成本也较高。
LED与传统光源一样,在工作期间也会产生热量,其多少取决于整体的发光效率。在外加电能量的作用下,电子和空穴的辐射复合发生电致发光,在PN结附近辐射出来的光还需经过芯片本身的半导体介质和封装介质才能抵达外界(空气)。综合电流注入效率、辐射发光量子效率、芯片外部光取出效率等,最终大概只有30%~40%的输入电能转化为光能,其余60%~70%的能量主要以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化热能。
一般来说,LED灯具工作是否稳定,品质的好与坏,与灯体本身散热至关重要。目前市场上的高亮度LED灯具的散热,常常采用自然散热,效果并不理想。LED灯具由LED灯珠、散热结构、驱动器、透镜组成。因此LED自身散热也是一个重要的部分,如果LED自身不能很好散热,其寿命也会受影响。
(1)热量管理问题
由于Ⅲ族氮化物的P型掺杂受限于镁的溶解度和空穴的较高启动能,热量特别容易在P型区域中产生,这个热量必须通过整个结构才能在热沉上消散;LED器件的散热途径主要是热传导和热对流;蓝宝石衬底材料极低的导热系数导致器件热阻增加,产生严重的自加热效应,对器件的性能和可靠性产生毁灭性的影响。
(2)热量对高亮度LED的影响(www.xing528.com)
热量集中在尺寸很小的芯片内,芯片温度升高,引起热应力的非均匀分布、芯片发光效率和荧光粉激射效率下降;当温度超过一定值时,元件失效率呈指数规律增加。有关统计数据表明,元件温度每上升2℃,可靠性下降10%。当多个LED密集排列组成白光照明系统时,热量的耗散问题更严重。解决热量管理问题已成为高亮度LED应用的先决条件。
(3)芯片尺寸与散热的关系
提高LED的亮度最直接的方法是增大输入功率,而为了防止有源层的饱和必须相应地增大PN结的尺寸;增大输入功率必然使结温升高,进而使量子效率降低。单管功率的提高取决于器件将热量从PN结导出的能力,在保持现有芯片材料、结构、封装工艺、芯片上电流密度不变及等同的散热条件下,单独增加芯片的尺寸,结温将不断上升。
通常采用导热膏、焊锡、铝基板、导热绝缘垫等材料,或热管等,将LED热量导到散热齿上,这部分就是产品的热阻设计。当然应尽量减少产品热阻。减少产品热阻方法有:
1)热源与散热器的大接触面设计。
2)灌胶,其作用是散热绝缘固定。
3)空隙部位导热膏的灵活运用。
4)散热器表面处理方式(阳极黑色>阳极原色及基于阳极的处理方式>电镀>普通铝)。
5)合理的系统散热设计(外壳孔位,表面积)。
6)参考某些比较成熟的高功率产品散热设计技巧,如CPU的散热器设计,减小PCB与散热器的接触面粗糙度。
7)散热设计的同时需兼顾结构。
目前国内的很多产品仅仅考虑到LED光源部分的散热,并没有考虑到驱动器部分的散热。其实这是一个误区。LED之所以能正常工作,除了散热方面外还与驱动器本身提供的恒流息息相关。目前大多数驱动器的效率以及功率因素都不是特别高,细细数下来驱动器也应当算一个热源。驱动器中所采用的元件对温度的敏感性是影响驱动器工作的一个重要参考指标。因此在设计的时候除必须选择性能稳定可靠外,还需要考虑其最高工作温度以及其散热。在这里就不多做叙述了。
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