LED照明燈具熱傳遞基本路徑分析(詳圖)

　　1、引言

　　在全球性的能源短缺和環(huán)境污染加劇的今天,LED以其節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)有著廣闊的應(yīng)用空間。與傳統(tǒng)照明燈具相比,它同時(shí)也具有亮度 高、能耗低、壽命長、方向性好、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。然而如果LED光源 不能很好散熱、它的壽命及各種性能參數(shù)也會(huì)受影響。因此,了解LED燈具發(fā)熱原因和熱傳路徑,運(yùn)用合理的熱傳材料和科學(xué)的散熱解決方案,對(duì)于推廣大功率LED 照明起到一個(gè)非常重要的作用。

　　2、熱對(duì)LED的影響

　　LED是個(gè)光電 器件,其工作過程中只有 15%～25%的電能 轉(zhuǎn)換成光能,其余的電能幾乎都轉(zhuǎn)換成熱能,使LED 的溫度升高。在大功率LED 中,散熱是個(gè)大問題。按照目前芯片材料的耐溫水平,通常結(jié)溫不能大于150oC,且較高的結(jié)溫對(duì)LED燈具產(chǎn)生較多不良影響。

　　2.1 結(jié)溫對(duì)LED光輸出的影響

　　實(shí)驗(yàn)指出,當(dāng)LED的結(jié)溫升高時(shí),器件的輸出光強(qiáng)度將逐漸減小;而當(dāng)結(jié)溫下降時(shí),光輸出強(qiáng)度將增大,一般情況下,這種變化是可逆與可恢復(fù)的,當(dāng)溫度回到原來的值,光強(qiáng)也會(huì)回復(fù)到原來的狀態(tài)。如下圖1：

　　圖1 結(jié)溫對(duì)LED光輸出的影響

　　2.2 結(jié)溫對(duì)發(fā)光波長的影響

　　結(jié)溫所引致的LED發(fā)光波長的變化將直接造成人眼對(duì)LED發(fā)光顏色的不同感受。對(duì)于一個(gè)LED器件,發(fā)光區(qū)材料的禁帶寬度值直接決定了器件發(fā)光的波長或顏色。InGaAlP與InGaN材料屬III-V族化合物半導(dǎo)體 ,當(dāng)它們溫度升高時(shí),材料的禁帶寬度將減小,導(dǎo)致器件發(fā)光波長變長,顏色發(fā)生紅移。

　　有經(jīng)驗(yàn)公式表明,波長與結(jié)溫Tj的關(guān)系為：

　　λ(T2)=λ(T1)+kΔT

　　其中：λ(T2)表示結(jié)溫T2時(shí)的波長;λ(T1)表示結(jié)溫T1時(shí)的波長;K表示波長隨溫度變化的系數(shù)。

　　2.3 結(jié)溫對(duì)LED正向電壓的影響

　　正向電壓是判定LED性能的一個(gè)重要參量,它的數(shù)值取決于半導(dǎo)體材料的特性,芯片尺寸以及器件的成結(jié)與電極制作工藝。對(duì)于一個(gè)確定的LED芯片 ,二端的正向壓降與溫度的關(guān)系可由下式表示：

　　VfT= VfTo+K(T-To)

　　式中：VfT與VfTo分別表示結(jié)溫為T與To時(shí)的正向壓降,K是壓降隨溫度變化的系數(shù) 。

　　2.4結(jié)溫對(duì)發(fā)光效 率ηv的影響

　　LED發(fā)光效率用公式表現(xiàn)如下：

　　在輸入功率 一定時(shí)：

　　1. 熱量↑ 結(jié)溫Tj↑ 正向壓降Vf↓電流If↑ 熱量↑ 發(fā)光效率ηv ↓ ↓

　　2. LED內(nèi)部會(huì)形成自加熱循環(huán),如果不及時(shí)引導(dǎo)和消散LED的熱量,LED的發(fā)光效率將不斷降低。

　　2.5 高溫下器件性能的衰變

　　在高溫下,LED的光輸出特性除會(huì)發(fā)生可恢復(fù)性的變化外,還將隨時(shí)間產(chǎn)生一種不可恢復(fù)的永久性的衰變。

　　通常有以下原因促成高溫條件下LED器件輸出性能的永久性衰減：

　　1. 材料內(nèi)缺陷的增殖,侵入發(fā)光區(qū),形成大量的非輻射復(fù)合中心,嚴(yán)重降低器件的注入效率與發(fā)光效率。

　　2. 另外,在高溫條件下,材料內(nèi)的微缺陷及來自界面與電板的快擴(kuò)雜質(zhì)也會(huì)引入發(fā)光區(qū),形成大量的深能級(jí),同樣會(huì)加速LED器件的性能衰變。

　　3. 高溫時(shí),LED封裝 環(huán)氧的變性,是LED性能衰變乃至失效的又一個(gè)主要原因。

　　3、LED燈具熱傳路徑分析

　　3.1 LED熱性能參數(shù)

　　LED芯片的散熱方式主要是傳導(dǎo)和對(duì)流。其中,衡量散熱性能的一個(gè)重要指標(biāo)為結(jié)溫Tj,其表達(dá)式為：

　　TJ= TA+Rth×PD

　　式中：PD為熱耗散功率 ,Rth為LED的熱阻,Tj和Ta分別為結(jié)溫和環(huán)溫。通常,對(duì)于同樣大小功率的LED燈具來講,其結(jié)溫越小,則性能越好。

　　3.2 高功率LED燈具熱傳路徑

　　對(duì)于高功率LED照明燈具,它的結(jié)構(gòu)形式也不盡相同,其傳熱途徑和熱阻也略有區(qū)別。然而其大體上可沿著以下路徑傳導(dǎo)：結(jié)點(diǎn)、熱沉、MCPCB 、散熱器、空氣。以下三圖較為形象地加以說明：

　　圖2 LED照明熱傳路徑(a)

　　圖3 LED照明熱傳路徑(b)

　　圖3 LED照明熱傳路徑(c)

　　4 、LED燈具散熱模塊熱傳材料介紹

　　4.1 LED散熱 基板材料

　　在LED產(chǎn)品應(yīng)用中,通常需要將多個(gè)LED光源組裝在一電路基板上。電路基板除了扮演承載LED模塊 結(jié)構(gòu)的角色外,另一方面,隨著LED輸出功率越來越高,基板還必須扮演散熱的角色,以將LED晶體產(chǎn)生的熱傳派出去,因此在材料選擇上必須兼顧結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及散熱方面的要求。

　　傳統(tǒng)LED由于LED發(fā)熱量不大,散熱問題不嚴(yán)重,因此只要運(yùn)用一般的銅箔印刷電路板(PCB)即可。但隨著高功率LED越來越盛行PCB已不足以應(yīng)付散熱需求。因此需再將印刷電路板貼附在一金屬板上,即所謂的Metal Core PCB,以改善其傳熱路徑。另外也有一種做法直接在鋁基板表面直接作絕緣層或稱介電層,再在介電層表面作電路層,如此LED模塊即可直接將導(dǎo)線接合在電路層上。

　　除此之外,新型發(fā)展起來的散熱基板材料,還有陶瓷基板(Ceramic Substrate) 、直接銅結(jié)合基板(Direct Copper Bonded Substrate) 、LED復(fù)合材料基板(Composite Substrate)等。

　　接下來介紹了幾種常見的LED基板材料,并作了比較。

　　應(yīng)根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用選擇基板材料,低功率LED發(fā)熱量不大,用PCB基板即可,對(duì)高功率LED,為滿足其散熱要求,采用MCPCB基板。我們平日所見的大功率LED照明燈具大多數(shù)使用的是鋁基的MCPCB。

　　4.2 LED界面材料

　　由于散熱器底面與鋁基板表面之間會(huì)存在很多溝壑或空隙,其中都是空氣。由于空氣是熱的不良導(dǎo)體,所以空氣間隙會(huì)嚴(yán)重影響散熱效率,使散熱器的性能大打折扣,甚至無法發(fā)揮作用。為了減小芯片和散熱器之間的空隙,增大接觸面積,必須使用導(dǎo)熱性能好的導(dǎo)熱材料來填充,如導(dǎo)熱膏、導(dǎo)熱墊片、導(dǎo)熱硅酯、導(dǎo)熱黏合劑、相轉(zhuǎn)變材料等。

　　圖5 LED接合界面

　　4.3 散熱器

　　散熱器的作用就是吸收基板或芯片傳遞過來的熱量,然后發(fā)散到外界環(huán)境,保證LED芯片的溫度正常。絕大多數(shù)散熱器均經(jīng)過精心設(shè)計(jì),可適用于自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流的情況。即主動(dòng)式散熱器和被動(dòng)式散熱器。其各自的性能特點(diǎn)見下表：

　　當(dāng)然,對(duì)于大功率照明用LED燈具,被動(dòng)式散熱器(即不含風(fēng)扇的散熱器)應(yīng)用更為廣泛。通常我們選用的散熱器材料要同時(shí)具有高比熱和高熱傳導(dǎo)系數(shù),鋁的這兩個(gè)參數(shù)都居于前列,是一個(gè)相當(dāng)不錯(cuò)的選擇。目前絕大多數(shù)散熱器都采用鋁合金作為主要材料,最為廣泛的鋁擠散熱器和鋁壓鑄散熱器。

　　鋁擠型散熱器

　　鋁壓鑄型散熱器(點(diǎn)擊圖片查看原圖)

　　Fin片型散熱器

　　對(duì)于大功率LED照明燈具,也有不少廠家推出各種較為新穎的主動(dòng)散熱器模組,如Fin片+風(fēng)扇、Fin片+熱管、液體強(qiáng)迫對(duì)流、微通道致冷、相變致冷等。尤其是將相變傳熱的熱管和扁平熱管(Vapor chamber)技術(shù)引入LED照明設(shè)計(jì)中,更衍生出各種效果明顯的散熱產(chǎn)品。以下為筆者根據(jù)自身多年散熱經(jīng)驗(yàn),正在開發(fā)的一些散熱方案或構(gòu)想,有興趣的朋友可以按此方向做一些設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)。

　　圖7 采用Vapor chamber 的LED燈 的散熱結(jié)構(gòu)(去掉了基底)

　　圖8 LED燈具散熱結(jié)構(gòu)(a)

　　圖9 LED燈具散熱結(jié)構(gòu)(b)

　　5 、結(jié)論

　　對(duì)于大功率LED燈具 ,由于其輸入功率的進(jìn)一步提高,更多熱量需要有效地耗散掉 ,因此大功率LED燈具的散熱問題對(duì)于 LED 的發(fā)展是一個(gè)挑戰(zhàn)。本文在討論LED照明熱傳的基礎(chǔ)上,對(duì)各種散熱材料和產(chǎn)品也做了初步介紹,希望可以為今后的LED散熱設(shè)計(jì)工作者提供一些指引和參考。