LED的热学_新闻资讯_

最常见的利用自然对流的技术就是封装外壳的顶部和底部各打几个洞，同样。让气流可以上下贯通，给LED散热。 0,3.LED热学 3.1导论 之前主要应用在各种设备上作指示灯，LED一种通电后可以发光的电子装置。现在用途被扩展到其它照明领域，比如直接用作室内外的照明光源。LED发光效率比白炽灯等激进光源更高，同时其效率不受形状和尺寸的制约，这一点又优于荧光光源。 LED对温度比较敏感，不过和所有电子设备一样。性能受环境温度的影响很大。缺乏合理散热设计的LED灯具长时间工作会导致LED封装过热，进而引起寿命降低，直至完全报废。因此要想获得短命命、高性能的LED灯具就必需设计一套优良的冷却散热系统（见图3.1.1热管理可以说是LED灯具设计中最重要的一环。 图3.1.1a热学模拟结果；b相同灯具由热成像镜头拍摄的照片。 3.2热传递简介 主要研究物理系统间能量及热量的交换。热量传送分为三种主要机制（图3.2.1热传递是热力学中的一个分支。 图3.2.1三种主要热传递机制：传导、对流、热辐射。 传 导 热量就会从高温区域传入低温区域。热传导是固体内部以及相接触的几个固体之间最常见的热传递机制。当某个实体中存在温差时。 对流 液体和气体中最为普遍。热对流分为自然对流和人工对流，热对流是通过流体的运动实现热量传送的一种方式。自然对流是流体内部自发的而非由于泵、风扇、引流器等外部设备产生的热量传送；人工对流是通过搅拌器、泵等外界手段引起流体运动从而发生的热传递。 热辐射 由此引起的热量传送叫做热辐射，任何有温度的实体都会对外发射电磁辐射。这种形式不需要任何介质的存在热辐射由物体表面的多种特征所决定。如果某个物体及其外表都处于热力学平衡状态，并且其外表对任何波长的辐射都能够完全吸收，就把这种物体叫做黑体。浅颜色的物体如红色或金属色的物体对可见光的吸收较少，因此就不容易被加热。光滑闪亮的金属外表无论对可见光还是远红外辐射的吸收率都很低，因此能减少热辐射的发生。 3.3能量转化 其差别就是具体比例的不同。白炽灯泡的输出主要集中在红外辐射，所有光源的原理都是将电能转化为可见光和热能。可见光只占到8%荧光光源的发光效率更高些，达到21%但仍然发射大量红外线、紫外线及热量。LED发生的红外线很少，能将40%电能转化为可见光（见图3.3.1剩余局部的能量都转化了热量，这些热量需要从LED工作区传导出去，依次经过基层印刷电路板、散热系统、外壳，最终散发到空气中去。 图3.3.1白光”光源的能量转化率（Visibllight可见光、Heatremovbyconductandconvect通过传导和对流散发的热量、Heatremovbythermalradiat通过热辐射散发的热量） 热辐射几乎不存在所以绝大部分热量只能通过传导和对流来散发掉。LED光源的效率很高，对于LED光源来说。热管理可以说是设计过程中最有挑战性的局部。适当的冷却散热系统设计对于LED灯具来说至关重要。 插座效率（电光转换效率 WPE 要改善结构设计就需要更精确地计算发热所消耗的能量（也就是说光源中有多少能量转化为了热能）为此我引入插座效率（电光转换效率 WPE概念。WPE定义是LED光源发生的可见光的能量占输入电能的比值（也就是说有多少电能转化为了可见光）通常LED插座效率在40%也就是说有60%左右的电能变成了热量。OMS激进光源的WPE通常被估算为20% 假设以下所有光源的输入功率都是20W通过传导和对流散发的热量计算如下： 案例1白炽灯光源 20Wx1-WPEx19%=20Wx80%x19%=3.04W 案例2荧光光源 20Wx1-WPEx42%=20Wx80%x42%=6.72W 案例3LED光源 20Wx1-WPEx60%=20Wx60%x60%=7.2W 需要借助传导和对流散发进来。如果没有高效的热管理和冷却散热系统，LED芯片中大约60%能量转化为了热量。LED芯片会过热，导致LED特性发生改变。这种改变会直接影响LED短期及长期的性能表示。短期影响是会出现色漂及光输出下降，临时后果是会导致光衰加速，从而缩短使用寿命。 3.4LED性能 LED散热并不是个问题，LED应用在过去几年里有了突飞猛进的发展。最初。因为当时使用的主要是小功率LED然而现在随着大功率LED使用，其发热量大幅提高，为了保证LED高效率、可靠性和长寿命，散热问题必需得到解决。 衡量LED性能的基本参数有（见图3.4.1 ?结点温度—Tj ?热阻—Rj-a 图3.4.1衡量LED性能的基本参数 LEDDIELED芯片；CIRCUITBOA RD电路板；HEA TSINK散热片；HEA TISREMOVEDFROMLEDCHIPTOAMBIENT热量从LED芯片散发到环境中去） 热 阻 反映了材质/组件之间热量传送的效率。其定义公式如下：热阻的定义是温差和功率之间的比值。 R– 两点之间的热阻； ΔT– 两点之间的温差； P– 两点之间热传递功率。 结点温度 而结点温度必需尽量维持在一个较低的水平。结点”这个词指的就是LED半导体芯片内部的p-n结。每种LED产品的参数表里都能找到最高可容许温度的推荐值。LED光源通电发光的同时会发热。 结点温度受很多因素影响，由于结点处的温度在整个LED内部是最高的因此它预估LED寿命的关键性指标。从热力学角度来看。比如冷却散热系统、环境、界面材质等等。 结点温度的计算公式表示如下： 由厂家提供；P表示发热功率，其中Rjc表示结点到外壳的热阻。可以通过用电功率和WPE计算而得；Tc表示外壳温度。如果计算进去Tj比厂家提供的结点最高可容许温度还高，那么该款灯具就必需重新设计。 LED性能衰减 尤其是使用寿命、光色品质及流明输出。如果超越了额定最高结点温度，结点温度过高会导致LED性能下降。工作温度每上升10度，LED使用寿命就会下降30%50% 这对“白光”LED光源影响很大。大部分所谓“白光”LED实际上发出的蓝色光，结点温度升高后还会导致明显的往光谱短波方向的色漂。通过荧光粉转化后变为白光。温度升高后，蓝光会朝红色光谱漂移，与荧光粉的作用发生变化，结果是最终出光的色调发生变化。 但是大电流也会导致发热量提高。因此在确定电流值时必须在系统性能和使用寿命之间选择一个最优的平衡。受LED热管理系统影响的最后一个主要参数是流明输出。提高电流能够提高LED流明输出。 3.5LED灯具的散热设计 一套典型的LED灯具包括LED光源、印刷电路板（PCB板）和冷却散热系统。LED光源包括半导体芯片（发光局部）光学元件、封装以及用来导走芯片热量的散热块，从热学设计的角度来看。散热块是焊在PCB板（通常是金属PCB板，简称MCPCB上的 就有必要预估LED光源在灯具里面的发热情况。随着大功率高流明封装产品的增加，要缩短LED灯具的研发周期。LED灯具的散热问题成为一种挑战。散热设计成了LED灯具研发过程中必不可少的局部。早期设计阶段，基于有限元方法的热力学模拟程序是目前应用最广的工具软件。图3.5.1展示了基于几个基本输入/输出参数模拟的LED灯具简化模型。 图3.5.1基于几个基本输入/输出参数模拟的LED灯具简化模型 热力学建模 驱动电流越大芯片发热量越高。要想维持预期的光输出、寿命和色温就必需及时把热量从芯片上导走。热量转移的数量取决于环境温度及从芯片到周围环境的热传导路径。影响LED结点温度的有三大因素：驱动电流、热传导路径和环境温度。通常来说。 模型描述 图3.5.2LED灯具的3D模型 外壳选用了多种不同材质以找出最有利于散热的那种。该灯具没有装散热片，图3.5.2展示了一套LED灯具的3D模型。此模型中。灯具外壳自身发挥了导热及散热的作用。此条件下，外壳的形状及材质是关键因素。 边境条件 假设以下条件：为了做计算流体动力学（CFD分析。 灯具用电功率为32W 处于恒稳态 环境温度35°C 热量通过自然传导及对流散发 所有零件的辐射效应设定为0.8 灯具处于水平方向（最不利情况） 计算范围是800*800*800mm3 资料属性 表3.5.3表示热力学模拟中各种材料的属性 结 果 采用AI6082模型表示采用ADC12模型提高6%LED芯片的最高可容许外壳温度是78℃，外壳选用了两种不同材料：ADC12和AI6082ADC12适合压铸成型而AI6082适合机械加工。通过数值分析。两种外壳都满足了此条件，但是外壳1离临界值更近。因此对此灯具来说最佳选择是AI6082图3.5.4展示了模拟结果。 图3.5.4两种不同资料外壳模拟结果 3.6散热系统 过多热量会直接影响LED光源的短期和长期性能。 ?短期：色漂、光输出减少 寿命缩短?临时：光衰加速。 人们通常采用自然（主动）及人工（主动）散热系统来散热。见图3.6.1 主动散热 散热片由很多组金属扇片组成，主动”意思是此种系统不含耗能的机械设备如热泵、风机或风扇等。LED灯具中最常见的主动散热设备就是散热片。通常来说。能够将LED光源里积聚的热量快速传导进来。由于散热片自身不消耗能量，因此是最节能的散热系统。不过随着LED光源功率的提高，要求散热面积越来越大，这就需要设计形状复杂的散热片，反倒给灯具设计带来有利的影响。 主动散热 主动”意思是这种散热系统中含有耗能的机械设备如泵、风机或风扇等。对于使用大功率高光通封装LED光源的小型灯具来说主动式散热系统是必需的因为这样能使灯具结构和体型更小。 图3.6.1主动散热（a.使用散热片的LED灯具）和主动散热（b使用散热片和风扇的LED灯具） 3.7主动散热系统设计 做这种系统设计时必需考虑几项主要因素比方LED光源的布局、灯具材质的属性、散热片的形状及表面处理，LED灯具中最常见的主动式散热系统。以及下文中描述的其它因素。 LED布局间距 LED颗粒布局越紧密，LED消耗的大部分电能转化为热量散发进去。散热空间越少，结点温度越高。所以LED颗粒应当在封装及光学特性容许的条件下间距越大越好。见图3.7.1 图3.7.1LED布局间距示例 资料属性 资料的导热率反映了资料的热传导能力。某些资料相比其它资料来说是热的良导体（如表3.7.2比如说，导热率是用来衡量热传导效率的物理量。纯铜的导热率为400W/m.K而空气的导热率仅为0.025 不只仅因为其性价比高，铝是制作散热片的罕见资料。还由于铝材容易加工、压铸、挤压。散热片的另外一项更要特性是几何形状，而铝型材易于加工成型。除此之外，铝材还有诸如重量轻、耐腐蚀、稳定性好等优势。综合来说，铝都是制作散热片的极佳材料。 表3.7.2资料的导热率 形状 从物体外表带走热量的流体过程。外表积越大，对流是通过气体或液体的流动。对流发生的越多。一个例子就是散热片，之所以设计成目前的形状就是为了最大化对流的外表积。这种多叶片的结构能够在体积不变的情况下大大增加外表积。图3.7.3 图3.7.3鳍片形灯体 外表处置 通常写作ε或是e其定义是同一温度下，辐射系数是反映物体外表辐射释放能量的相对能力的物理量。某种资料外表辐射能量和规范黑体所辐射能量的比值。理想黑体的ε=1而真实的资料ε<1 通常来说，高辐射系数涂料能够提高热交换的速率。外表颜色越深、越黑，辐射系数越接近于1资料的反射率越高，辐射系数越接近于0 印刷电路板（PCB PCB热阻应当越低越好。LED装置在多层FR4或是金属印刷电路板（MCPCB上。为获得最佳性能。 FR4电路板（FR4PCB 这些散热孔为电镀通孔（PTH可以打通、可以堵上也可以封闭。最终整块电路板的热阻是由板上散热孔的数量和密度、铜板层的厚度以及电镀通孔的镀层厚度所决定的FR4制作PCB规范资料。每块PCB板上安装的LED颗粒数量决定于LED输入功率及边境条件等。PCB板上的热量通过散热孔传到冷却系统上去。 金属电路板（MCPCB 一块MCPCB板包括铜基板、绝缘层及散热板，图3.7.4展示了MCPCB结构。铝或铜片。增加铜基板厚度或者减薄绝缘层厚度都能大大降低热阻。图3.7.5展示了真实的FR4电路板和金属电路板的样子。 图3.7.4金属电路板（MCPCB截面图（注：非同比放大） 图3.7.5FR4PCBa和MCPCBb 粗糙水平 固体外表都不可能是完全平滑的由于微观结构的凹凸不平，把散热片同封装LED连接时要求两部分的外表尽可能地充分接触。倒霉的无论如何精良的处置。所有的外表都有一定的粗糙度。这些小突起、小凹洞或扭曲形状的存在叠加起来形成粗糙的肉眼可见的不平整表面。当两块这样的外表接触时，实际上只有两个面上的小突起在互相接触，小的凹洞之间仍然是分离的形成空气间隙。 热界面材料 用来增加接合的固体外表—比方PCB板和散热片—之间的热传导系数以提高散热效率。因为如果不填充，热界面材料（TIM又称为热传导材料。两种机械接合的资料外表之间充溢空气的空隙会是热的不良导体（见图3.7.6 图3.7.6两个表面之间的空隙：a未填充的空隙；bTIM资料填充 最常见的导热硅脂里面掺了氧化铝、氧化锌或是氮化硼，最常见的热界面材料是红色胶或者导热胶。某些牌子的热界面资料会使用精细研磨过的银粉。另外一大类热界面材料是相变材料，这类材料在室温下是固态，芯片工作温度下会液化呈油脂状。 生产工艺 让气流可以上下贯通，最常见的利用自然对流的技术就是封装外壳的顶部和底部各打几个洞。给LED散热。对比压铸和挤压两种工艺，挤压法处理过的铝型材密度会更大（让散热片内部的气泡更少）见图3.7.7由于空气和铝的导热率差距是如此之大，所以一点点的空气残留都会导致资料的导热率大大改变。压铸铝散热片的导热性平均比同样体积和形状的挤压铝散热片低20-30% 图3.7.7挤压法加工的散热片 外壳设计及安装方法 让两者最大面积地接触（见图3.7.8设计LED外壳时也要考虑留好从PCB背板到外壳之间的热传导通路。通常做法都是直接把PCB板的反面装置到LED外壳上。 图3.7.8装置方式 导热板可以和PCB板更好地贴合，这种装置方式的改进方案就是PCB板和外壳之间加一块导热板。增大热传导的接触面积。