大功率LED散热方案样本.doc

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1、资料内容仅供您学习参考，如有不当或者侵权，请联系改正或者删除。 LED散热设计方案题 目: 大功率LED散热方案学 院: 电气信息学院学 生 姓 名: 李宇专 业: 测控技术与仪器学 号: 204指 导 教 师: 靳斌日期: 5 月1 日大功率LED散热方案摘 要: 当前, 随着LED向着大功率方向发展, 很多功率型LED的驱动电流达到70 mA、 100 mA甚至1 A, 电流增大虽然能够提高LED的亮度、 功率, 可是这将会引起芯片内部热量聚集, 导致发光波长漂移、 出光效率下降、 荧光粉加速老化以及使用寿命缩短等一系列问题。业内已经对大功率LED的散热问题作出了很多的努力: 经过对芯片外

2、延结构优化设计, 使用表面粗化技术等提高芯片内外量子效率, 减少无辐射复合产生的晶格振荡, 从根本上减少散热组件负荷; 经过优化封装结构、 材料, 选择以铝基为主的金属芯印刷电路板(MCPCB), 使用陶瓷、 复合金属基板等方法, 加快热量从外延层向散热基板散发。多数厂家还建议在高性能要求场合中使用散热片, 依靠强对流散热等方法促进大功率LED散热。尽管如此, 单个LED产品当前也仅处于110 W级的水平, 散热能力仍亟待提高。相当多的研究将精力集中于寻找高热导率热沉与封装材料, 然而当LED功率达到10 W以上时, 这种关注遇到了相当大的阻力。即使施加了风冷强对流方式, 牺牲了成本优势, 也

3、未能获得令人满意的变化。 讨论在现有结构、 LED封装及热沉材料热导率等因素变化对于其最大功率的影响, 寻找影响LED散热的关键因素。研究方法为有限元热分析法该方法已有实验验证了LED有限元模型与其真实器件之间的差别, 证明其在误差许可范围内是准确可行的。关键词: 散热, LED, 结构创立节约型社会已经成为共识, 建筑中采用节能型照明系统也已成为一种趋势。当前, 大功率L E D在发光效率、 使用寿命 、 光输 出特性、 显色性能以及绿色无污染等方面具有独特的优势 , 成为具有极强竞争力的新型优质光源, 然而在决定大功率L E D能否广泛应用的几个关键技术中, 散热设计是非常重要的一环。也就

4、是说, 散热设计的好坏将直接决定大功率L E D的性能指标优以及实际的推广应用能否获得成功。考虑热导率与散热方式的影响, 使用大型有限元软件ANSYSl0.0模拟并分析了大功率LED热分布。经过分析不同封装、 热沉材料及散热方式对LED热分布与最大散热能力的影响, 指出解决LED散热问题的关键不是寻找高热导率的材料, 而是改变LED的散热结构或者散热方式。1 建立模型2.2几何模型的建立23 有限元模型的建立1 LED模型中各材料的参数值3 分析各种因素对于散热能力的影响3.1 热辐射系数对LED散热的影响图2为表面黑度为0.8时的温度云图。根据斯蒂芬-玻耳兹曼定律, 辐照度j*与温度T之间的

5、关系: j*=T4。其中为黑体的辐射系数; =5.6710-8w(m2·k4), 称为斯蒂芬-玻耳兹曼常数。因此可知, 温度越高, 辐照度越大。当输入功率为1 W时, 经由表面辐射散出的热能为7.63104W, 仅占总热功率的1.63; 功率达到2 W时, 经辐射散出的热能也仅占6.33。因此改变热辐射系数对于提高散热能力改进成效不大, 散热的关键在于提高另外两种散热方式: 热传递和热对流。尽管如此, 仍有一些厂家将LED器件的外表面涂成黑色, 以期最大限度地利用辐射散热。32 热导率对LED的散热的影响 只考虑热传导与对流, 改变不同封装填充材料如硅树脂得出结果, 如图3所示。

6、即使找到一种热导率高达7 Wm-1K-1的环氧树脂成分封装材料时, 相比使用热导率为0.25 Wm-1K-1的环氧树脂成分封装材料时, 芯片温度下降不多, 铝基板温度只下降了2.271, 最大功率仅提高了0.69 W。实际上, 热导率值超过7Wm-1K-1以上、 可商业化的透明硅树脂封装材料当前尚无文献报导。分布云图如图4所示。 表2给出透镜热导率为0.2 Wm-1K-1时, 不同热沉材料的导热系数对于LED最大功率影响。由表2看出, 热沉材料对于LED的最大散热能力的影响很小。 33 增加散热面积对LED散热的影响表3为3种不同散热方式对LED的温度分布、 最大功率的影响。能够看出, 增加散

7、热面积是很好的散热方式, 能够轻易地提高LED器件散热能力, 这是当前 LED产品所普遍使用的散热方式之一。然而缺点也很明显: 影响成本、 增加产品重量、 影响封装密度。无限度地提高LED散热片面积显然不现实, 因此一般使用 1.5inch2散热片提升LED产品最大功率至10 W左右, 出于成本等因素就不能继续提高。34 对流方式对LED散热的影响常见对流散热方式有两种: 自然对流和强制对流。固定结构的散热与表面传热系数有关。空冷方式时, 不同传热系数对最大功率的影响如图5所示。强对流方式在一定速度内会大大提高LED产品的散热能力, 有助于提高散热效果。 综上所述, 无论是增加散热面积还是增加

8、对流速度都不能无限制地提高散热能力, 其原因在于: 当散热结构、 方式固定后, 即使LED导热率有所上升, 也无法真正大幅度降低芯片温度; 事实证明增加散热面积, 能够促进散热。但由于成本限制, 且不可能无限制地增加散热面积, 因此, 要提升LED产品的散热能力, 关键要在最大努力增加散热面积时, 寻找一种能够快速将上表面热量带走的散热方式。 LED的散热现在越来越为人们所重视, 这是因为LED的光衰或其寿命是直接和其结温有关, 散热不好结温就高, 寿命就短, 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( 图1) 中能够看出, 结温假如能够控制在65C

9、, 那么其光衰至70的寿命能够高达10万小时! 这是人们梦寐以求的寿命, 可是真的能够实现吗? 是的, 只要能够认真地处理它的散热问题就有可能做到! 遗憾的是, 现在实际的LED灯的散热和这个要求相去甚远! 以致LED灯具的寿命变成了一个影响其性能的主要问题, 因此必须要认真对待! 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。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%。可见改进散热, 控制结温是十

10、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, 因此说, LED的散热是LED灯具的设计中最为重要的一个问题。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的光效当前只有100lm/W, 其电光转换效率大约只有2030%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, 一般称为由”电流泄漏”而使PN区载流子的复合

11、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, 因为当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, 可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, 因此光效很低, 可是却免除了散热的问题。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, 因此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

12、外面, 人们在LED的芯片结构上进行了很多改进。为了改进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。可是蓝宝石衬底的导热性能不是太好, ( 在100C时约为25W/( m-K) ) , 为了改进衬底的散热, 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。当前只有Cree公司生产以碳化硅为衬底的LED。4、 结语大功率LE D芯片工作时的结温高低与光通量、 寿命的关系极为密切。为

13、了将高达8 0 8 5 的热量散发掉, L E D在封装时就需要采用科学的热流程设计和卓有成效的封装工艺。L E D封装的一次散热设计是由L E D生产阶段的工艺来确定的。由于封装透镜材料几乎是不导热的, 其作用是将芯片的光输出进行分配。芯片的热量主要是由高导热的材料 ( 内部热沉)传导出后再经过外部散热器进行散热, 因此L E D封装的一次散热设计就是针对其使用的要求和条件, 经过内部热沉的科学设计将芯片产生的高热有效地传导给散热器。利用ANSYS软件对大功率LED进行三维有限元热分析, 并绘制了其受不同因素影响时器件的温度云图, 经过比较各种因素对散热性能的影响, 得出结论: 在经过必要的

14、选材优化后, 对于材料热导率的追求只是对提高LED散热能力细枝末节地修改, 想要大幅度地提高LED的散热能力, 关键是增加散热面积与改变散热方式。当前LED的发光效率还是比较低, 从而引起结温升高, 寿命降低。为了降低结温以提高寿命就必须十分重视散热的问题。LED的散热设计必须从芯片开始一直到整个散热器, 每一个环节都要给于充分的注意。任何一个环节设计不当都会引起严重的散热问题。过去的LED路灯在长期工作中的大量失效, 一半以上是散热设计欠缺所引起, 另一半是电源失效所引起。因此对散热的设计必须给以充分的重视。随着LED的光效逐年提高, 它的发热问题也会逐渐降低。相信总有一天我们会看到不需要散热器的LED灯具的出现!