LED照明灯具热传递基本路径分析(详图)

　　1、引言

　　在全球性的能源短缺和环境污染加剧的今天,LED以其节能环保的特点有着广阔的应用空间。与传统照明灯具相比,它同时也具有亮度 高、能耗低、寿命长、方向性好、响应快等优点。然而如果LED光源 不能很好散热、它的寿命及各种性能参数也会受影响。因此,了解LED灯具发热原因和热传路径,运用合理的热传材料和科学的散热解决方案,对于推广大功率LED 照明起到一个非常重要的作用。

　　2、热对LED的影响

　　LED是个光电 器件,其工作过程中只有 15%～25%的电能 转换成光能,其余的电能几乎都转换成热能,使LED 的温度升高。在大功率LED 中,散热是个大问题。按照目前芯片材料的耐温水平,通常结温不能大于150oC,且较高的结温对LED灯具产生较多不良影响。

　　2.1 结温对LED光输出的影响

　　实验指出,当LED的结温升高时,器件的输出光强度将逐渐减小;而当结温下降时,光输出强度将增大,一般情况下,这种变化是可逆与可恢复的,当温度回到原来的值,光强也会回复到原来的状态。如下图1：

　　图1 结温对LED光输出的影响

　　2.2 结温对发光波长的影响

　　结温所引致的LED发光波长的变化将直接造成人眼对LED发光颜色的不同感受。对于一个LED器件,发光区材料的禁带宽度值直接决定了器件发光的波长或颜色。InGaAlP与InGaN材料属III-V族化合物半导体 ,当它们温度升高时,材料的禁带宽度将减小,导致器件发光波长变长,颜色发生红移。

　　有经验公式表明,波长与结温Tj的关系为：

　　λ(T2)=λ(T1)+kΔT

　　其中：λ(T2)表示结温T2时的波长;λ(T1)表示结温T1时的波长;K表示波长随温度变化的系数。

　　2.3 结温对LED正向电压的影响

　　正向电压是判定LED性能的一个重要参量,它的数值取决于半导体材料的特性,芯片尺寸以及器件的成结与电极制作工艺。对于一个确定的LED芯片 ,二端的正向压降与温度的关系可由下式表示：

　　VfT= VfTo+K(T-To)

　　式中：VfT与VfTo分别表示结温为T与To时的正向压降,K是压降随温度变化的系数 。

　　2.4结温对发光效 率ηv的影响

　　LED发光效率用公式表现如下：

　　在输入功率 一定时：

　　1. 热量↑ 结温Tj↑ 正向压降Vf↓电流If↑ 热量↑ 发光效率ηv ↓ ↓

　　2. LED内部会形成自加热循环,如果不及时引导和消散LED的热量,LED的发光效率将不断降低。

　　2.5 高温下器件性能的衰变

　　在高温下,LED的光输出特性除会发生可恢复性的变化外,还将随时间产生一种不可恢复的永久性的衰变。

　　通常有以下原因促成高温条件下LED器件输出性能的永久性衰减：

　　1. 材料内缺陷的增殖,侵入发光区,形成大量的非辐射复合中心,严重降低器件的注入效率与发光效率。

　　2. 另外,在高温条件下,材料内的微缺陷及来自界面与电板的快扩杂质也会引入发光区,形成大量的深能级,同样会加速LED器件的性能衰变。

　　3. 高温时,LED封装 环氧的变性,是LED性能衰变乃至失效的又一个主要原因。

　　3、LED灯具热传路径分析

　　3.1 LED热性能参数

　　LED芯片的散热方式主要是传导和对流。其中,衡量散热性能的一个重要指标为结温Tj,其表达式为：

　　TJ= TA+Rth×PD

　　式中：PD为热耗散功率 ,Rth为LED的热阻,Tj和Ta分别为结温和环温。通常,对于同样大小功率的LED灯具来讲,其结温越小,则性能越好。

　　3.2 高功率LED灯具热传路径

　　对于高功率LED照明灯具,它的结构形式也不尽相同,其传热途径和热阻也略有区别。然而其大体上可沿着以下路径传导：结点、热沉、MCPCB 、散热器、空气。以下三图较为形象地加以说明：

　　图2 LED照明热传路径(a)

　　图3 LED照明热传路径(b)

　　图3 LED照明热传路径(c)

　　4 、LED灯具散热模块热传材料介绍

　　4.1 LED散热 基板材料

　　在LED产品应用中,通常需要将多个LED光源组装在一电路基板上。电路基板除了扮演承载LED模块 结构的角色外,另一方面,随着LED输出功率越来越高,基板还必须扮演散热的角色,以将LED晶体产生的热传派出去,因此在材料选择上必须兼顾结构强度及散热方面的要求。

　　传统LED由于LED发热量不大,散热问题不严重,因此只要运用一般的铜箔印刷电路板(PCB)即可。但随着高功率LED越来越盛行PCB已不足以应付散热需求。因此需再将印刷电路板贴附在一金属板上,即所谓的Metal Core PCB,以改善其传热路径。另外也有一种做法直接在铝基板表面直接作绝缘层或称介电层,再在介电层表面作电路层,如此LED模块即可直接将导线接合在电路层上。

　　除此之外,新型发展起来的散热基板材料,还有陶瓷基板(Ceramic Substrate) 、直接铜结合基板(Direct Copper Bonded Substrate) 、LED复合材料基板(Composite Substrate)等。

　　接下来介绍了几种常见的LED基板材料,并作了比较。

　　应根据实际产品应用选择基板材料,低功率LED发热量不大,用PCB基板即可,对高功率LED,为满足其散热要求,采用MCPCB基板。我们平日所见的大功率LED照明灯具大多数使用的是铝基的MCPCB。

　　4.2 LED界面材料

　　由于散热器底面与铝基板表面之间会存在很多沟壑或空隙,其中都是空气。由于空气是热的不良导体,所以空气间隙会严重影响散热效率,使散热器的性能大打折扣,甚至无法发挥作用。为了减小芯片和散热器之间的空隙,增大接触面积,必须使用导热性能好的导热材料来填充,如导热膏、导热垫片、导热硅酯、导热黏合剂、相转变材料等。

　　图5 LED接合界面

　　4.3 散热器

　　散热器的作用就是吸收基板或芯片传递过来的热量,然后发散到外界环境,保证LED芯片的温度正常。绝大多数散热器均经过精心设计,可适用于自然对流和强制对流的情况。即主动式散热器和被动式散热器。其各自的性能特点见下表：

　　当然,对于大功率照明用LED灯具,被动式散热器(即不含风扇的散热器)应用更为广泛。通常我们选用的散热器材料要同时具有高比热和高热传导系数,铝的这两个参数都居于前列,是一个相当不错的选择。目前绝大多数散热器都采用铝合金作为主要材料,最为广泛的铝挤散热器和铝压铸散热器。

　　铝挤型散热器

　　铝压铸型散热器(点击图片查看原图)

　　Fin片型散热器

　　对于大功率LED照明灯具,也有不少厂家推出各种较为新颖的主动散热器模组,如Fin片+风扇、Fin片+热管、液体强迫对流、微通道致冷、相变致冷等。尤其是将相变传热的热管和扁平热管(Vapor chamber)技术引入LED照明设计中,更衍生出各种效果明显的散热产品。以下为笔者根据自身多年散热经验,正在开发的一些散热方案或构想,有兴趣的朋友可以按此方向做一些设计和实验。

　　图7 采用Vapor chamber 的LED灯 的散热结构(去掉了基底)

　　图8 LED灯具散热结构(a)

　　图9 LED灯具散热结构(b)

　　5 、结论

　　对于大功率LED灯具 ,由于其输入功率的进一步提高,更多热量需要有效地耗散掉 ,因此大功率LED灯具的散热问题对于 LED 的发展是一个挑战。本文在讨论LED照明热传的基础上,对各种散热材料和产品也做了初步介绍,希望可以为今后的LED散热设计工作者提供一些指引和参考。