LED的散热处理方案

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1、LED的散热处理方案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10C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）中可以看出，结温假如能够控制在65C,那么其光衰至70%的寿命可以高达10万小时！这是人们梦寐以 求的寿命，可是真的可以实现吗？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，所以必须要 认真对待！图 1. 光衰和结温的关系而且，结温不但影响长时间寿命，也还直

2、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。Junction TemperatureWhiteBlue-* GreenxnILsnQuguln-J中图 2. 结温和发光量的关系假如以结温为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%。可见改善散热，控制结温是十分重要的事。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，所以说，LED的散热是LED

3、灯具的设计中最为重要的一个问题。第一部分LED 芯片的散热一.结温是怎么产生的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的光效目前只有 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，通常称为由“电流泄漏” 而使PN区载流子的复合率降低。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

4、而最后转化为热量，这部分是主要的，因为目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，但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，所以光效很低，但是却免除了散热的问题。LED 芯片到底板的散热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，所以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外面，人们在LED的芯片结构上进 行了很多改进。为了改善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

5、衬底。后来就改为蓝宝石作为衬底。但是蓝宝石衬底的导热性能不是太好，(在100C时约为25W/(m-K)， 为了改善衬底的散热，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。目前只有Cree公司 生产以碳化硅为衬底的LED。L电餐LED零岸图 3. 蓝宝石和碳化硅衬底的 LED 结构图采用碳化硅作为基底以后，的确可以大为改善其散热，但是其成本过高，而且有专利保护。最近国内的厂商开 始采用硅材料作为基底。因为硅材料的基底不受专利的限制。而且性能还优于蓝宝石。唯一的问题是GaN

6、的膨 胀系数和硅相差太大而容易发生龟裂，解决的方法是在中间加一层氮化铝(A1N)作缓冲。衬底材料导热系数膨胀系数 (y10E-6)稳定性导熱性威本E3D 抗静电)碳化硅490-14.M.:好好蓝干门一股1/105-2D.妖为蓝乓 石的1/13好LED 芯片封装以后，从芯片到管脚的热阻就是在应用时最重要的一个热阻，一般来说,芯片的接面面积的大小 是散热的关键，对于不同的额定功率，要求有相应大小的接面面积。也就表现为不同的热阻。几种类型的LED 的热阻如下所示：类型宣帽管滾鱼1W面发光热阻临/W150-200503-： 55早期的LED芯片主要靠两根金属电极而引出到芯片外部，最典型的就是称为巾5或

7、F5的草帽管，它的散热完 全靠两根细细的金属导线引出去，所以散热效果很差，热阻很大，这也就是为什么这种草帽管的光衰很严重的 原因。此外，封装时采用的材料也是一个很重要的问题。小功率LED通常采用环氧树脂作为封装材料，但是环 氧树脂对 400-459nm 的光线吸收率高达45%，很容易由于长期吸收这种短波长光线以后产生的老化而使光衰严 重，50%光衰的寿命不到1万小时。因而在大功率LED中必须采用硅胶作为封装材料。硅胶对同样波长光线的 吸收率不到1%。从而可以把同样光衰的寿命延长到4万小时。F面列出各家LED芯片公司所生产的各种型号LED的热阻公司茗称芯片型号芯片类型敖阴.CAVEHP5?931

8、闪衿白13讎E.HP-ADEI,/UTUI1W 55DDK：爱迪土1W, 5K-fK13-14氐加頭K series1W,S撚慫巳迪t就1W, H 5K-5.5K：5NichiaNJSL03SAT1W,举CreeZ.L ueDvullT.&2I帥？1却 毓 删JunctHii Tt#ra!Li(c J? jfuneti&n erf Lensth图 13. 结温和长度的关系 由图中可知，长度增加到一定程度以后，结温不但不再降低，反而会升高。这是因为空气在沿长度方向的流动 受到阻碍所致（主要对于垂直放置的鳍片为如此）。所以对于散热器来说，除了加大面积以外，如何加速空气的对流是很重要的事，尤其是像

9、LED 路灯这类安装在 室外的路灯更为重要。由于室外的风向是不定的，为了在各种风向情况下都能有很好的对流，最好采用针状鳍 片散热器（图 14）。但这也减小了其等效散热面积很大的百分比。图 14. 针状散热器珠海南科首次把针状散热器应用至LED路灯中，据说这可以使LED的结温降低15度以上，提高了 LED的寿命。路灯散热器往往由于灰尘和鸟粪的积累而使其散热效果大为降低，所以通常采用朝下安装的方法来避免，但是 这样做又会使空气对流的效果降低，因为热空气是向上流动的。通常要在安装时有一个倾斜角来改善。九 采用强制风冷散热目前几乎绝大多数的 LED 灯具都是采用自然空气对流来散热的。然而，对流的散热效

10、果是和空气的流速是有密 切关系的。在一个15W的LED灯具中，如果采用强制风冷可以得到其LED的结温和风速的关系如图15所示。图15. LED结温和风速的关系在电脑的 CPU 中，从来都是采用小风扇的强制风冷系统来散热的。那么在 LED 中能不能也采用风扇来散热呢！ 目前最大功率的LED灯具要算是LED路灯了。LED路灯和电脑最大的差别就是它是安装在室外的十分恶劣的环 境条件下的。如果采用风扇，那么这种风扇也必须能够承受十分恶劣的环境条件。例如必须能够防水、防潮、 防尘，能够承受高低温的考验，等等。而且它本身不能消耗很大的功率。最近台湾Sunon公司推出全球最小、最薄、耗电量最低的“毫米科技风扇与鼓风扇MightyMini Fan &Blower。 并用于各种功率的LED灯具。例如，应用于LED球泡灯，就可以突破9W的瓶颈限制而达到15W的水平。同时 展示全新“One-module”概念所设计的LED散热模块，将LED灯具散热模块化，一款散热模块可应用于多款 LED灯具，简化客户端的设计流程，预计推出可散热7-15W、10-25W、25-40W几种功率水平。可应用于LED球 灯、筒灯、MR16投射灯、LED轨道灯等各式LED应用产品的散热。拿来大家分享liuguang2011 年10月29日