LED散热器

2024-08-06

LED散热器（共7篇）

LED散热器篇1

固态照明解决方案的需求与日俱增使得对更好的热管理技术的要求也迅猛增长。除了标准的机械方案外,还有监测热行为的电气技术及为了稳定系统热量的调节控制。当高亮度LED的前向电流增加而封装尺寸减小,热逸散及灾难性故障的潜在也随之增加。在众多LED应用中,由于极端的高温环境,需要更高级别的保护。

热折返是减少LED故障及避免因为过热而导致LED寿命缩短的常用方法。这种控制方法使用一个与温度成反比的信号,在设置温度断点后降低LED的电流。该方法可以通过多种方式实现。以下介绍两个例子:一个100W路灯应用和一个12W的军用手电筒应用。这两个实例介绍了较为复杂的系统与较为简单的系统间的区别及各自的设计流程。

背景

在使用大功率LED的传统照明应用中,需要大的散热器来排出LED所释放的热量。LED自身不散热,相反,它们通过半导体结点来传导热量。此传导功率(PD)等于前向电压(VF)和前向电流(IF)的乘积。

为了保持一个安全的LED结点温度,必须消除这个传导功率。需要对系统中的热阻抗进行分析,才能在额定功率下定制一个散热器以确保期望的热特性。

一个典型的大功率LED将通过其器件、锡焊连接点、印刷电路板和散热器来消耗大部分功率。如图1所示。使用这个简单的模型,计算就相当简单。LED结点的功率耗散(PD),必须通过结点-环境的总热阻(θJA)分配,这一点与电流通过电气电阻时极其相像。

由此产生的结点温度(TJ)和环境温度(TA)之间的温度差(TJ-TA)等于一个电气电压(欧姆定律的热当量):

TJ-TA=PD×θJA

θJA指下列各值的总和。

θJS:结点至锡焊点热阻;

θSH:锡焊点至散热器热阻;

θHA:锡焊点至环境热阻。

θJS代表内部的LED热阻,而θSH代表印刷电路板(PCB)电介质和结点热阻。最后,θHA代表散热器热阻,θJS值为LED制造商数据表中指定值,并且是一个简单的LED封装函数。它可以在2～15℃/W的范围内变化。假如从锡焊点到散热器的连接良好(包括:多重热导通孔,适量的铜,良好的焊接和可能用到的导热胶),θSH则基本上可以忽略不计。这将产生一个小于2℃/W的极低θSH值。

θHA保持不变,因为它更多地取决于散热器表面积及其导热性能。在标准的FR4印刷电路板上(近似于LED的尺寸),没有外部散热器,仅有底部覆铜层,θHA值可能会非常大,超过100℃/W。通过图1所示的外部散热器,可降低热阻来保持理想的温度差(TJ-TA)。热设计需要根据下列θHA方程式,选择合适的散热器:

通过该方程可以很容易算出,如果功率增加或允许的温度差降低,那么必要的热阻将随之降低,而这相当于需要一个更大的散热器。

实际应用中,在系统使用寿命期内,由于存在前向电压及其他电子偏差,输出LED功率会增加5%～10%前向。可能的温度上升范围需根据最差情况下预计的TA值计算。此外,在制造商规定的规格中,通常会降低最大允许的TJ值,以确保LED使用寿命和效率不会降低。这些容差迫使我们提升最坏情况下的散热设计标准,要比标定时提高25%～50%。

LED驱动器

这些LED仅仅是具有LED驱动器主控机制的动态系统的组成之一。高亮度LED驱动器通常是通过开关转换器支持其工作。转换器对系统进行调节以提供一个近似于恒定的LED光通量输出。驱动器可适应不断变化的动态情况,提供连续调节,保证系统电气稳定性。在最常见的LED驱动器中,需要对输出电流进行调节,因为它与输出通量有着密切的关系并易于做出调整。

尽管电气稳定性是控制方案的根本,但热平衡是可控变量(LED电流)和不可控变量(环境)的函数。随着环境温度从25℃的室温增高时,LED的前向电压降低。因为电流被不断调整,因此功率降低,最终达到实现结点热平衡的目的。但最终环境温度的升高会导致结温超过LED的安全工作范围。此时,LED内的各种元件性能降低、恶化,最终导致热逸散和灾难性的LED故障。

每个LED制造商都提供了对应环境温度变化的最大前向电流的特性曲线。如图2所示的Cree XRE系列曲线,该曲线标明了推荐的LED过温安全工作范围(SOA)。这个快速的参考设计资料提供了多重θJA图形。因为在数据表规定了θJS,而在运行良好的系统中可以忽略θSH,因此θHA是一个可控变量。对于给定的θHA,维持LED驱动电流在限定范围内,可防止LED在非安全状态下运行时会出现的热逸散和/或大幅的寿命衰减。

从图2中不难看出大型散热器会扩大LED的适用范围。不过,在一些LED应用中,高昂的散热器成本及更大的散热器体积令人望而却步。对于此类应用,为了实现散热,需要良好的解决方案。

比起针对每个规格设计一个大容差范围的热管理方案,设计师更愿意采用通用方案。这令LED驱动器的应用成为可能。由于驱动器会调节电流及功率,因此仅需对非安全运行状态进行检测,并令驱动器可以做出相应反应即可。

热折返

考虑到制造商规定的前向电流额降,设计师现在能够依靠LED驱动器来提供有帮助的控制机构,从而对LED提供热保护。由于多数新的LED驱动器具有调光输入,因此几乎总有一个简单的方法来降低向LED的输出电流。鉴于此,可以设计一个电路来检测靠近LED的温度。如果系统有良好的热阻特点,那么LED的结点温度就能通过测量来内推。

因此,LED驱动器可以按照如图3所示的需求来维持或降低调节电流。该图可以改变,并且基本上与制造商的数据表规范相吻合,也可将其绘制的更保守一些。无论用什么方式,都要保护LED免受电流过剩与过热的损害。特别是,可以依据所需减少对散热器要求,因为最差条件导致的热逸散能被去除。

热折返可在许多方面应用。最常见和最简单的方法是使用一个NTC(负温度系数)热敏电阻测量LED附近的温度,如图4所示。NTC热敏电阻是一个随温度降低而增大,随温度增大而减小的电阻。如果电阻分压器设定值偏离基准电压,并且底部电阻器是一个热敏电阻,那么分电压将随温度增加而降低。假如将该电压钳制在低于基准电压的最大电压上,那么对于一些上升至最大温度断点(TBK)的温度范围来说,该电压就被固定为钳位电压。然而,对于高于TBK的温度而言,电压将下降,如图3所示。这个电压可以用来控制LED驱动器的模拟调光输入以实施基本热折返。

L E D调光时,折返图形会有不同。由于标称LED电流水平(ILED-NOM)被降低为调光电流水平(ILED-DIM),可对折返图加以修正以与新的温度断点(TBK-DIM)相适应。这扩大了LED使用的温度范围,如图3所示。可根据不同器件,分步或连续完成。

另外一个变体是额外的最小LED电流(ILED-MIN)钳制,用来防止LED电流为零,同见图3。有许多应用中,终端用户出于安全原因,不想要成套的热折返。而使用这个特性,最小需求电流钳制可以允许系统不受安全运行范围约束。然而,就这一点而言,用户情愿以缩短使用寿命为代价来换取短期功能。

路灯举例

一个标准的路灯暴露于苛刻的环境条件中,且在整个使用寿命期间,由于各种原因,机械散热器的性能可能会降低。这种性能的降低极大地增加了总热阻θJA,而且最终将导致更高的LED结点温度从而缩减使用寿命。为满足市政设施关于使用寿命的要求,在路灯中热折返几乎总是必要的。

图5所示为一个100W的路灯应用。前端交流-直流转换器获得一个120V交流电输入,然后将其转换为35V直流输入。第二阶段是一个LM3409恒流降压型LED驱动器,负载为6串并联,其中每串串联8只LED;每串驱动电流为700mA。

LM3409用简单的磁滞控制方法调节电流。在主开关(Q1)接通期间,电感器电流斜升至由IADJ引脚设置的峰值电流阈值。一旦达到该阈值,Q1关断并且电感器电流斜降,直到程控关断计时器停止。关断计时器的程控是通过来自输出电压的RC实施的。这使得计时器与输出电压成正比,结果导致电感器电流纹波和随后的原本恒定的LED电流纹波超越运行范围。

在IADJ上降低电压(从1.24V降至0V),平均LED电流的持续模拟调光能够很容易实施。假如IADJ的电压达到或高于1.24V,那么应调整LED的最大标称电流。当IADJ引脚电压降至1.24V时,电流开始调光,对执行热折返提供了一个极好的方法。

该应用中的热折返电路比以前描述的更加基本化,仅利用一个IADJ附加的NTC热敏电阻。NTC热敏电阻的阻值将高于250kΩ(IADJ大于1.24V),直到温度达到要求的断点。然后作为NTC的一个功能,电阻降低,同时分别降低了IADJ的电压和LED电流。

应该注意的是NTC从电阻到温度的转换功能是非线性的。这种非线性延长了出现真正零电流的边界点温度(TEND)。在路灯应用中,热折返的线性不属于最高等级。事实上路灯的寿命结束时间通常规定为其亮度降至初始亮度的70%时;因此,精确的热折返图对于路灯设计人员来讲根本没有意义。也就是说,如果需要的话,一个精密的温度传感器就能很容易地用于更为线性的热折返图绘制。

手电筒举例

图6所示为一个使用LM3424的较复杂的热折返器件。这个应用是一个由LM3424组成的15W调光军用手电筒,该LM3424控制6个串联LED,驱动电流为700mA,电池电压为9V。因为在调光时,串电压发生变化,从24V到低于9V,所以多重拓扑结构LM3424用作一个降压-升压控制器。需进行LED模拟调光以对其简洁性、大小和成本进行评估。

LM3424用传统的误差信号放大器调节闭合环路中的输出电流。在LED组件顶端对LED平均电流区别检测。主开关(Q1)的占空比动态上得以改变,以确保可随时进行调整。

LM3424具有一个集成在芯片上的完全可编程热折返电路。折返断点由电阻分压器按照TREF进行设置,内部基准电压3V(VS)。温度传感是使用传感器或NTC分压器在TSENSE的情况下实施的。当TSENSE电压降低至预定TREF电压时,电路开始根据图7所示对LED进行调光。热折返的斜率可由安装在TGAIN到GND之间的电阻(RGAIN)设定。假如使用一个精密的温度传感器,例如LM94022,可以获得一个高级的线性图。

可以加装基准电压VS外置齐纳管钳制装置以设定最小所需电流,如图3所示。在将给定温度值的特定LED的亮度输出最大化的同时,这个高度可控热折返也使手电筒使用寿命最大化。

手电筒应用中另一个有用的特征是调光与热折返的组合。由于二者都使用热折返电路,因此可以通过几种方式进行组合。NTC分压器直接连接至TSENSE,而调光分压器则与二极管连接。如图6所示。这种连接保证了TBK随调光等级而移动,所以使得任意调光等级的有效温度范围达到最大。

散热器对比

最后,在手电筒应用中将使用和不使用热折返做一个比对。在手电筒应用中,这些LED靠得非常近形成一个LED。假定,θSH和θJS小于θHA,计算可简单化为:

无热折返,输出功率要提高5%以随时调整偏离值。同时,温度差降低,占最差情况下环境温度的25%,还要考虑有益的SOA裕量。因此,θH A的值将比使用热折返的应用小70%。这就是说,散热器尺寸大小与成本要增加30%。在LED应用中,散热器为最大成本之一,在手电筒应用中使用热折返是非常有价值的。

结论

在一个给定的系统中,当机械散热要求减少时,热折返的使用可保护LED免受灾难性故障的损害。LED技术的优势在于使用寿命长,可靠性高和性能优于其他照明技术,而这些优势的实现需要热控制技术的支持,所以要确保这项技术得以顺利发展而不会受到意外情况的阻碍。

参考文献

[1]Patterson J.LM3409HV Evaluation Board[R/OL].(2009-6-11).http://221.115.156.18/design/analog/LED/LM3409-AN-1953.pdf

LED散热器篇2

随着全社会对节能减排要求的日益强烈, 使得LED照明的应用如火如荼, 相对于传统的照明, 不仅获得了显著的节能效果, 还提供了更加环保的照明环境和优良的照明品质。

与小功率的LED照明相比, 新一代的大功率LED照明具有技术要求高、功率大和发热量高等截然不同的特性, 特别是对使用中LED光源散热的要求也更加严格, 需要进行专门的研究和设计。为此, 文中在一般介绍LED照明的热传导过程、散热要求、材料选择及技术方案等基础上, 依据大功率LED照明自身的发热特点, 结合具体的应用实际, 重点研究了相应的散热设计, 提出了所存在的问题。

1 大功率LED照明的散热设计

相对于传统的照明而言, 大功率LED照明的散热至关重要, 关系到电参数、光效、光色、寿命及可靠性等诸多方面, 因此需要非常严格地进行大功率LED照明的散热设计, 不能有丝毫的马虎。

1.1 LED照明的散热及要求

(1) 从LED照明的原理及基本特性来看, 其热的产生及散发的过程主要为[1]:

热源 (LED光源) —成品化的LED光源即是发热源, 其输入电功率中的约70%将变成为热而散发出来。从其基本架构来看, 可以表述为一源两面:一源即为LED光源, 提供照明所需要的光输出;两面分别对应为出光面和出热 (发热) 面。

导热/均热器件—导热/均热一般由MCPCB板中的金属部分 (主要为铝材) 担任, 被称为“一次器件”, 主要的功能是将LED光源中的热导出来, 并且将各个热点的热量进行均匀化, 提高总体的散热效率。

散热器件—中、大功率LED照明的散热主要利用金属材料 (铝材) , 被称为“二次器件”。采用专门的工艺:如挤压、压铸、锻造、表面涂覆等方式制造, 使得热量最终通过空气的对流作用而散发掉。此外, 对于超大功率的LED照明还可以采用散热能力更强的热管散热器。

实际中, 导热/均热、散热器件的选材当然是热传导系数越高越好, 但同时还需要兼顾到材料的机械性能、价格及后加工工艺[2]。通过综合比较, 作为地壳中含量最高的金属铝, 因热传导系数较高 (237W/m·K) 、密度小、价格低而受到青睐, 成为制造散热器件的主流材料, 成为了理想的选择, 并且在应用中通常会制成铝合金, 以提高机械性能。

(2) 目前, 采用铝材进行散热器件加工的工艺主要有[3]:

压铸—散热器件的导热系数为96 W/m·K, 特点是加工成本低, 但翅片厚, 散热表面积小。

车铝—散热器件的导热系数为180 W/m·K, 特点是翅片薄, 散热效果好, 但加工成本高, 产量低。

冷锻 (挤压) —散热器件的导热系数为226 W/m·K, 特点是散热性能好, 节约原材料, 适合大量生产, 但无法加工外形复杂的散热器件。

(3) 具体应用到大功率LED照明上, 散热器件应满足三个基本的要求[4]:

导热/均热好—散热器件的整体热阻就是由与LED模块的接触面开始逐层累计而来, 吸热面内部的热传导阻抗是其中不可忽视的一部分。其与LED模块间热阻小, 就可以迅速地吸收其产生的热量, 并将吸收的热量有效地传导到尽量多的翅片上。

整体热阻小—为了提升吸热能力, 希望散热器件与LED模块紧密结合, 不留任何空隙。实际上吸热面与LED模块之间必然存在一定的空隙, 应采用具有较低热阻及较佳适应性的材料填充其中的空隙, 即LED光源安装时采用高效的导热膏, 能够有效地减少接触的热阻[5], 以达到最佳的散热效果。

热量快速传导—散热器件的吸热面和散热翅片加工成牢固的整体, 能够将吸收的LED热量迅速地传导到翅片部分。翅片的间隙与气流方向要保持一致, 才不会因气流而形成涡流而造成热气的滞留, 进而以最快的速度将热量散发掉。

1.2 大功率LED照明翅片散热的设计

大功率LED照明的散热就要求在遵循基本热学规律的基础上, 精心设计, 以求获得最好的散热特性和最佳的散热效果。

(1) 翅片散热设计的一般原理与架构:

如图1 所示, 给出了LED能量的输入、输出流动示意图。

言简之, LED光源具有3 个能量端口。左侧为输入端口, 接收电功率P (=IV) 到LED光源上, 其输出端口为上和下的2 个面, 分别为热和光输出面。光是照明所需要的主要成分, 约占总能量的30%, 由出光面获得光输出;热是不需要, 但必须要由其出热面导出、并耗散掉的次要部分, 约占总能量的70%, 因此LED的散热设计就是针对这部分来进行的。

目前从大量的应用实际来看, 大功率LED照明的散热设计主要以固态静止的、与空气进行热交换的形式多样的翅片类散热器件为主[6]。依据散热器件与LED光源的安装形式及相对位置, 主要的形式可以归纳为:背负式、覆盖式、分散/组合式、嵌入式、周边式等, 并且在外观及防护上主要有直接裸露 (一般通用) 和内置 (常用于室外照明, 考虑到减少风阻和防止散热器件的污染) , 如图2 所示。

1) 图2 中的 (a) 为背负式散热器件的剖面示意, 常用于单颗大功率LED阵列光源, 特点是散热器件的吸热底座紧贴于LED光源的出热面上, 散热翅片竖向尺寸不超过散热底座的尺寸范围, 具有构造简单、加工方便和灵活实用等特点。

2) 图2 中的 (b) 为覆盖式散热器件的剖面示意, 同样常用于单颗大功率LED阵列光源, 特点是散热翅片的竖向尺寸超过散热底座的尺寸范围, 对LED光源形成一种覆盖的态势, 具有空间利用率高、翅片面积大及散热效果好等特点。

3) 图2 中的 (c) 为分散/组合式散热器件的剖面示意, 常用于集成封装大功率LED点光源, 特点是将单一的大的散热器件分散为多个均匀分布的小的散热器件, 中间留有适当的空气散热通道, 一般与LED光源模组配合, 具有热点分散、组合方便及散热效果好等特点。

4) 图2 中的 (d) 为嵌入式散热器件的剖面示意, 常用于集成封装大功率LED点光源, 特点是散热器件的本身就是灯具的外形和机械固定部分, LED光源 (模组) 就像珍珠一样嵌于其中, 具有外形轻薄、散热面积巨大、使用灵活及式样新颖等特点。

5) 图2 中的 (e) 为周边式散热器件的径向剖面示意, 常用于单颗大功率LED阵列光源, 特点是散热器件为成品的铝型材, 通用性好, LED光源均布在散热器件的周围, 具有构造简单、热点分散、散热高效及全周出光等特点。

(2) 大功率LED照明翅片散热的应用

在 (1) 中归纳了五种具有典型代表的大功率LED照明的散热形式。在具体的散热设计中, 主要依据相关现场状况、加工工艺、整体成本等制约条件, 再结合仿真技术来合理设计, 并在实施中采取了适当的变化形式, 主要表现为将外壳、机械防护结构合为一体, 或者将反光罩与散热结构合为一体等形式[7]。

1) LED球泡灯翅片散热应用

如图3 所示, 给出了大功率LED球泡灯翅片散热的实例, 从左至右分别为:背负式 (a) 、覆盖式 (b) 和周边式 (c) 。

图3 中的 (a) 散热器件为背负式。其吸热底座通过机械紧固作用, 紧紧贴合于LED光源的出热面上, 通过传导作用将热量吸收、均匀并传导到与之连为一体的散热翅片上, 再通过翅片的对流和辐射作用将热量散发到空气中去。需要强调的是:当球泡灯的安装位置为垂直时, 翅片的方向与气流方向一致, 散热效果良好;安装位置为非垂直时, 翅片的方向与气流方向不一致, 形成紊流, 使得整个散热器件上的温度分布不均匀, 影响散热效果, 故在翅片上开有大量的散热通孔, 让空气的流动相对顺畅[8], 以提高整体的散热效率。

图3 中的 (b) 散热器件为覆盖式。在设计时将散热翅片的长度加大, 延伸到超过LED光源的出光平面, 形成圆周状的覆盖态势。这样做的优势:一是充分利用了LED光源的非出光空间来尽可能的增大了散热翅片的有效面积;二是在同样散热面积的情况下能够减小整体的体积。在安装位置为非垂直时, 利用翅片间较大距离来减少由于紊流的产生对散热效果的影响, 确保整体的散热效率。

图3 中的 (c) 散热器件为周边式。其采用成品的铝型材来作为散热器件, 成本相对较低, 长度可以根据功率的大小灵活选取。为了获得较好的散热效果和全周的光输出, LED光源均布在散热器件的圆周上, 使得各发热点的热量分布均匀, 并且沿圆周分布的每组散热单元间还留有较大的空气通道, 有利于球泡灯在安装位置为非垂直时的散热, 提高了整体的散热效率。

2) LED工矿灯翅片散热应用

大功率LED工矿灯安装位置以垂直为主, 如图4所示给出了翅片散热的实例, 从左至右可分为:背负式 (a) 、覆盖式 (b) 、分散/组合式 (c) 和 (d) 、嵌入式 (e) 。

图4 中的 (a) 散热器件为背负式。其吸热底座紧紧贴合于LED光源的散热面上, 通过传导作用将热量吸收、均匀并导到与之连为一体的散热翅片上。散热器件翅片的方向与空气流动的方向一致且与灯罩及驱动电源盒之间留有较大的空间 (架空) , 有利于散热时空气快速顺畅的流动, 可以获得良好的散热效果。

图4 中的 (b) 散热器件为覆盖式。设计时将散热器件的吸热底座与反光罩合为一体, 形成圆周的覆盖状。首先散热翅片同步延伸, 方向与空气流动方向一致, 其次翅片呈圆周分布, 使得散热面最大。这样设计的优势:一是灯的外观扁平、体积小巧、轻盈别致;二是整体的散热面积尽可能的增大了, 可以明显地提高整体的散热效率。

图4 中的 (c) 和 (d) 散热器件为分散/组合式。其中 (c) 为分散式, 一般与集成封装的LED光源相匹配, 每个光源对应一个散热器件, 形成一体化组件; (d) 为组合式, 将多个较小的散热器件通过组合均布在均热平面上以形成大的散热器组件。分散/组合式的优势主要为:各发热点的热量均匀分布于灯体上, 有利于散热, 并且可以采用体积较小的散热器件, 具有加工简单、成本较低、方便灵活以及便于维护等特点。

图4 中的 (e) 散热器件为嵌入式。集成封装的LED光源像珍珠一样镶嵌在巨大的散热器件中间, 而散热器件本身就是灯具的外形和机械/防护结构。如此一来, 通过相互交叉的网格状翅片结构, 可以在灯具体积一定的情况下获得最大的散热面积, 具有散热效果良好、外观新颖别致、体积小巧轻薄等特点。

3) LED泛光/投光灯翅片散热应用:

大功率LED泛光灯和投光灯的主要区别在于对出光的要求不同, 其他的基本类似。由于在使用中安装的位置及方向多变, 散热器件翅片的设计就要考虑周到, 需要考虑几乎任意方向使用散热时空气流动的情况, 因此技术上尽可能采用大的散热面积。外形通常采用较为秀气扁平状, 且散热翅片较厚、较大, 相互间的距离较大, 有的还采用镂空的设计, 以提高翅片与空气进行热交换的能力。如图5 所示, 分别选取了背负式 (a) 、覆盖式 (b) 、分散式 (c) 、嵌入式 (d) 计四种形式的散热设计, 其具体的特性与上述2) 中LED工矿灯的散热相类似, 可以进行参照, 在此不再赘述。

4) LED道路灯翅片散热应用:

道路照明的优劣直接关系到夜间机动车行车以及行人的安全。由于大功率LED道路灯的使用环境恶劣、条件严酷, 且灯体的发热大, 安装位置高, 高空检修难, 加上常年室外的日晒雨淋、灰尘鸟粪等都要影响到散热的效果, 因此散热设计非常重要。

如图6 所示, 给出了大功率LED道路灯翅片散热的实例, 主要分为:背负式 (a) 、覆盖式 (b) 、分散式 (c) 、嵌入式 (d) 。

图6 中的 (a) 散热器件为背负式。其采用单颗大型太阳花类的散热设计, 翅片宽大, 相互之间的距离也较大。散热器件的吸热底座紧紧贴合于LED光源 (模组) , 将热量吸收、均匀并传导到与之连为一体的散热翅片上, 再利用道路上空强大的空气对流作用, 将LED的高热散发掉。裸露结构的优势:一是提高了散热效果;二是可以利用雨水的作用来冲刷散热翅片上的灰尘和污物, 使得散热器件的性能长期稳定。

图6 中的 (b) 散热器件为覆盖式, 翅片方向与道路方向相一致。散热翅片的面积大可充分利用道路上方的空气流动来提高散热的效果;翅片的间距大可以减少风阻, 有利于提高雨水对污物的冲刷效果。如此综合, 就能够稳定散热性能和明显提高整体的散热效率。

图6 中 (c) 的散热器件为分散式。散热器件与集成封装的LED光源形成一体化结构。将多个散热器件并列后均布在安装平面上, 再加上其他部件就能够组成大功率的照明, 并且还可以形成由小到大的系列照明。分散式散热器件的优点:一是整个照明的热量均匀分布, 对散热有利;二是可以采用单个体积较小的散热器件, 方便灵活, 也便于生产和维护。

图6 中的 (d) 散热器件为嵌入式, 散热器件本身就是灯具的外形和机械/防护结构。3 颗集成封装的大功率LED光源 (模组) 像珍珠一样镶嵌在巨大的散热器件中间。散热翅片采用相互交叉的通透结构, 总体表面积很大, 有利于空气的顺畅流动和雨水对污物的冲刷, 也能减少风阻。这样, 既保证了灯具体积小巧和外观新颖别致的要求, 又可以获得良好的散热效果。

2 结束语

随着社会经济的快速发展, 大功率LED照明的各种应用条件特别是在工业、商业等公共领域的应用条件均已成熟。基于LED光源自身对热的高度敏感特性, 大功率LED照明的散热设计尤为重要, 其直接关系到应用前景的深度和广度。目前市场化的大功率LED照明的散热虽然种类繁多、特性不一, 但还是以翅片类的散热器为主。由于各厂家在散热理念、工艺条件和加工技术等的差异, 往往造成在具体的散热设计、应用上存在着许多不合理方面, 还有待于进一步优化和提升。其中可见的途径就是, 利用新技术和新材料来达到大功率LED照明散热的高效能、小体积和轻量化, 以及采用可再生的非金属材料来替代宝贵的有色金属, 降低加工过程中的碳排放等。

参考文献

[1]杨世明.传热学[M].人民教育出版社, 1980.

[2]房海明.LED散热模块热传材料介绍[EB/OL]. (2010-05-30) [2015-10-13].www.china-led.net.

[3]Richard-Wen.LED灯具散热器的工艺[EB/OL]. (2013-05-10) [2015-10-13].http://wenku.baidu.com

[4]新世纪LED网.有效的LED散热方法[EB/OL]. (2014-07-29) [2015-10-13].www.cnledw.com

[5]张淑芳, 方亮, 付光宗, 等.硅脂导热涂层改善LED散热性能的研究[J].材料导报, 2007, 21 (z A) .

[6]秦彪.LED行业中的传热学问题之一——“热阻”概念被滥用[EB/OL] (2011-10-20) [2015-10-13].www.china-led.net.

[7]突破散热与光学瓶颈COB封装打造优质LED照明[EB/OL]. (2011-11-04) [2015-10-13].ofweek lights.ofweek.com/2011.

列车车载LED灯结构散热分析篇3

本课题做的是列车车载LED灯的结构散热分析, 我们就有必要了解为什么要做这样的一个设分析。

LED英文单词Light Emitting Diode的缩写, 即发光二极管, 是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件, 它可以直接把电转化为光。发光二极管具有驱动电压低、功耗小、寿命长、抗冲击和抗振动性好、可靠性高等一系列优点。LED是一种新型半导体固态光源, 在全球能源日趋紧张和环保压力日益加大的情况下, 使用LED半导体照明已被公认是一种节能环保的重要途径。

就列车车载中LED的应用优点是:

1) 抗震性强, 大量减少维护工作;

2) 寿命长;

3) 配光控制容易, 有益于照射面的利用率, 且可降低眩光等;

4) 体积小, 可以安装在行李架等空间有限的地方;

5) 重量轻, 通过减轻车辆重量, 降低运行时的能耗。

2 LED灯的热特性

与传统光源一样, LED在工作时也会产生热量。LED芯片的表面积小, 正常工作时电流密度大, 但是单颗LED的输出光束又低, 所以LED照明设备大多需要多个LED组合而成, 而LED灯的体积有限, 这就造成LED密集度较大, 并且由于LED的光电转换效率不高, 只有20%左右的电能转为光输出, 其余均转换成为热能, 因此当LED灯工作时, 将会集中产生大量的热量。热量若不能尽快有效地耗散, 随之而来的热将会对LED引起结温上升、减少芯片出射的光子、使色温质量下降、加快芯片老化、缩短器件寿命等。由于LED芯片输入功率的不断提高, 因散热问题牵扯到光、电、色等一系列的问题显得更加突出, 因此, 对LED灯散热器结构进行优化设计和热分析就变得异常关键。

3 LED散热器的材料

选择散热器的材料必须了解传热学热能传递中的热传导。热传导的原理是当不同温度的分子接近时, 由于高温快速分子与低温低速分子间发生完全弹性碰撞或因自由电子的转移而产生能量转移的现象。

导热系数是表征材料导热性能优劣的参数, 其单位为W/ (m*℃) 。一般是说金属材料的导热系数最高, 液体次之, 气体最小。如表1 列出了一些金属材料的导热系数:

从表1 可以看出各材料导热性能的优劣, 但是做车载上使用的LED灯, 我们必须考虑综合效益的问题。综合比较下, 金属的导热性能确实比其它材料要好很多, 金、银、铜的价格昂贵, 而铁、钢、铅等其它金属的导热系数太低, 现选择铝作为散热器的制作材料。铝不单只是价格合理、导热性能好, 而且它的密度是金属中较小的, 材质较轻, 更加适合在列车上使用。

4 散热结构的模型

在确定LED灯的散热结构之前, 必须了解热能传递的另一种方式热对流, 热对流是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移, 冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程。

肋片型的散热器 (如图1) 把电源放到管外, 从而可以把半边铝壳完全做成散热器。肋片型采用肋片形状的散热结构, 大大增加了散热器面积。电源不放在管内, 又可以减少热量, 这就大大延长了LED的寿命。

5 LED灯散热分析问题归结

LED灯散热器的上表面放置LED的发光体, 即热量从上表面流入。下表面、两外侧面和肋片部分为直接与空气接触的散热区, 无任何外力因素, 属于空气自然对流表面传热。

综上所述, 可将问题归结为这样的问题进行求解。散热器所有部位均用铝制造, 铝的导热系数为236W/ (m*℃) , 该LED灯的功率为20W, 有80%的能量转化成热量形式, 并全部被散热器的上表面吸收, 散热器上表面的有效吸热面积为0.02448m2, 下表面、两外侧面和肋片部分为空气自然对流传热, 空气自然对流传热系数为1~10W/ (m2×K) , 由于灯是在列车上使用, 所以空气对流传热系数取5W/ (m2×K) 较合适, 列车上空气的温度为室温25℃, 其余各面均无热量的流入与流出。计算出上表面的热流密度为653.6W/m2。

6 利用ANSYS软件分析散热器

做有限元热分析首先确定一个模型, 模在Pro/E软件中把模型建好, 然后导入ANSYS软件进行分析。出现如图2 所示模型。

选择好分析类型、单元类型、材料属性、单元尺寸, 划分网格后, 出现如图3 所示网格划分结果模型。

选择热分析类型, 对上表面施加热流密度载荷, 下表面、两外侧面和肋片施加对流载荷, 并输入空气温度25。

运算求解, 输出温度场分布的彩色云图, 出现图4 显示温度分布结果。

从结果中可以看出散热器的横截面温度场分布情况, 其中最高温度是64.004℃, 红色区域为最高温度出现在散热器的上表面, 该区域放置发光体。也就是说LED工作时的温度为64.004℃, 而LED灯在80℃以下的温度工作即可达到技术要求。温度最低是43.174, 温度的最低出现在肋片外沿上, 这和预想的一样。温度从肋片外沿到上表面逐渐升高, 颜色不同说明温度的变化。

肋片型散热器的温度变化线整体现出一个向上的弧线, 这正式由于中间肋片比较长, 两边比较短, 使中间散热较好所引起的。由于总体的结构限制, 肋片的长度不能再加长, 又要保证散热器的刚度, 以至于肋片不能向上表面延伸, 这样的肋片设计已经达到了散热效果的顶峰。

换个角度观察散热器的温度场, 如图5 所示。

在图3-15 温度场的分布中, 等温线是均匀分布的关于径向对称一条直线, 这说明了散热器中任何一个截面的温度分布都显图4 所示。也证明了在做有限元热分析时, 该散热器的温度分布与散热器的长度无关, 图5 准确地说明了该分析的正确性。

7 实际中LED灯的散热情况

通过以上对散热器模型的有限元热分析, 结果显示该模型的温度在正常工作温度范围内, 而且这只是仅仅考虑空气自然对流换热, LED发出的热量全部被散热器所吸收的理想状态下。根据传热学的知识, 热能传递有三种方式:热传导、热对流、热辐射。热辐射是物体因热的原因由电磁波来发出辐射能的方式, 而散热器的辐射能力比周围环境的高, 这肯定有热量通过热辐射的方式传导出去。其实LED灯发出的热量全部被散热器吸收, 这只是理想状态下, 发光体的下部是散热器, 上部是扩光罩, 其热量会散发到发光体和扩光罩的空气中, 致使扩光罩的温度升高, 这就有扩光罩与外部空气存在自然对流传热。

不管哪种形式的传热, 只有使温度比理想状态下更低。对于在理想状态下分析都能达到正常工作的情况下, 实际中LED灯的温度更加不会影响到正常工作, 该散热器结构符合LED灯实际工作的要求。

在列车上使用LED灯是随处的, 不单车厢, 像行李架、地角灯、阅读灯、厕所上都使用, 甚至于车头大灯也可以使用LED灯。如图6 所示列车上使用的整体效果。

8 结束语

本文明确完成了列车车载LED灯结构散热分析, 这仅仅是局限于列车车载上的设计, 实际上LED灯的使用已经在很多地方发挥出作用了。分析中可以看到, 做LED灯散热器有限元热分析时, 我们根本做不到呈现列车车载的实际环境, 只是在最接近的状态下完成分析, 这点上仍需做得更到位些。

摘要：LED照明光源已被广泛应用于照明系统设备, 但由于其光电转化率较低, 大部分电能实际转化成了热量, 所以如何提高其散热能力是LED灯产业化解决的关键技术之一。本文做的是列车车载LED灯结构散热分析。对LED的各项原理、结构和光学特点做了简要的分析, 之后确定铝材料和肋片型散热器, 导入ANSYS软件进行热分析, 得出其稳态的温度场分布图, 从而验证了散热器各项选择的合理性, 并分析了实际列车中散热器的散热情况。

LED照明散热专利技术综述篇4

LED发光所产生的热量,是阻碍LED光源向高亮度、小尺寸发展的瓶颈问题。目前,用于解决LED照明灯具散热的主要技术手段包括冷却风扇、翅片散热、泡沫金属和热电制冷四种(具体定义见表1)。本文立足于专利文献的分析,对现有专利技术的发展脉络进行梳理,为LED散热的发展方向和专利保护提供参考。

2 LED 照明散热专利技术的整体情况

为了解四种散热技术专利申请的总体情况,我们将现有LED照明灯具的专利技术分成对应的四个技术分支,采用通用的专利文献IPC[IPC8] 分类号以及相关中、英文关键词进行检索,针对1999年至2013年提交的专利申请进行统计,包括全球专利申请量的发展态势(图1、图2)以及国内专利申请量的发展态势(图3)。

图1反映出全球LED照明散热技术的专利申请量的发展总体呈上升趋势,自2002-2003年起呈逐年增长,20112012年达到顶峰。统计曲线自2013年开始呈下降趋势,原因是2013年提交的专利申请大部分尚未公开。其中,翅片散热与冷却风扇的相关专利申请量相对较高,自2005-2006年开始逐步上升趋向平稳,说明这两方面的技术已步入成熟期。泡沫金属与热电制冷技术属于新兴技术,申请量较少。图2反映出中国大陆(CN)的申请量占据全球申请量的59%,其余41% 申请量中按照所占比例大小,专利申请目的国依次是美国(US)、日本(JP)、韩国(KR)、台湾(TW)、欧洲(EP)、德国(DE)、加拿大(CA)、澳大利亚(AU)和印度(IN)。由于中国大陆的专利申请量占全球申请量的一半以上,因此图3所显示的国内专利申请量的发展趋势与全球专利申请量的发展趋势是一致的。

近十余年是我国LED照明技术的崛起和快速发展期,自2003年科技部发起“国家半导体照明工程”和“十一五”863重大项目实施以来,我国LED照明技术形成了包括上游材料、中游芯片制备、下游器件封装及集成应用等比较完整的研发与产业体系,促使自2003年后国内LED照明领域的专利申请量激增,包括大量涉及散热技术的专利申请。并且近十年来,国外企业越来越重视中国市场的开拓,因而十分重视在中国进行专利布局,通过提交大量申请以获取对其经济利益的保护。

3 LED 散热的主要专利技术简析

3.1 冷却风扇技术

冷却风扇属于LED照明散热的早期技术,其应用于早期的照明灯具及其他领域,技术较为成熟。在LED照明初期,其作为散热技术的沿袭应用于LED散热。较早的专利申请之一是飞利浦公司的申请号为DE69936375T的发明专利(申请日 :1999.9.13)。该专利涉及一种具有高光通量的连续、规则的照明灯,在支撑光源基座的支柱内设有风扇,支柱上设有定位孔。在灯具工作过程中风扇产生空气流,并通过定位孔实现空气交换,从而改善光源基座和LED的散热效果。对于大型的照明灯具,也有采用多个冷却风扇以增强空气对流的冷却效果,例如日本东芝公司提出的申请号为CA2341951A的发明专利申请(申请日 :2000.3.23)。该专利涉及一种用于光动力学疗法的LED照明装置,光源为多个LED组成的阵列,在LED阵列附近设置包含多个风扇的阵列以形成强大的空气对流。

3.2 翅片散热技术

翅片散热技术也是较早发展起来的LED散热技术。早期的专利申请例如申请号为EP84904170的发明专利申请 ( 申请日 :1984.11.15),在LED基板上安装了翅片散热器,通过提高LED灯具的散热的表面积来解决散热问题。翅片散热器技术领域一直是LED专利申请的热门领域之一,LED生产商不断对翅片散热器提出各种改进,其中涉及翅片散热器自身的散热效率的改进是专利申请的重点方向之一,包括对翅片的形状、散热器的内部结构以及材质的改进。翅片散热器内部结构的改进主要是添加热管,热管中采用空气或者冷却液作为散热介质1。核心的专利申请之一是申请号为US20050243989,针对大功率的LED路灯提出了风扇、翅片散热和热管相结合的散热技术。

3.3 泡沫金属

对于大型的高功率照明灯具,采用传统的翅片散热技术,需要大尺寸的LED光源铝基板和大型的散热器结构,材料成本较高并且拆装不便。为此,泡沫金属成为近年来代替传统翅片散热器的新兴技术,例如申请号为CN200810033325和CN200810005026的专利申请,其LED光源的支撑体为金属壳体,内部填充具有通孔结构的泡沫金属,泡沫金属材料包括泡沫铁、泡沫铜、泡沫铝、泡沫铁合金、泡沫铜合金和泡沫铝合金等。申请号为CN202647674的专利申请采取在翅片散热器内部填充泡沫金属以代替常规的吸液芯,以降低翅片散热器的传热热阻,提高散热效率。

3.4 热电制冷

热电制冷技术在近十年内被引入LED照明散热的技术领域,用以解决大功率LED灯具的散热问题,仍属于新兴技术。热电制冷元件的一个主要问题是其热端的热量散发问题会影响整体的散热效果。因此,一般采用热电制冷元件与翅片散热相结合的办法,以大幅提高散热效果。例如申请号为US20070837034A的专利技术,采用翅片散热器、热电制冷芯片以及热管相结合的综合手段解决高功率LED的散热问题。

摘要：基于对国内外涉及LED照明灯具散热技术的专利申请的统计和分析,对四种主要的散热技术进行介绍和分析,并总结专利技术的发展状况,为企业、高校和科研院所了解专利申请的现状提供参考。

功率型LED散热基板的研究进展篇5

在系统散热方面,尤其是功率型LED,选择合适的基板,对其散热性和可靠性具有重要影响[2]。而功率型LED散热基板材料要求具有高电绝缘性、高稳定性、高导热性及与芯片匹配的热膨胀系数(CTE)、平整性和较高的强度[3]。目前常用的基板材料有硅、金属(如铝、铜等)、陶瓷(如Al2O3、AlN)和复合材料。由于硅基板加工困难,成本高;单一金属材料的导电及热膨胀系数失配问题,很难满足功率型LED封装基板苛刻的要求。为此本文介绍了几种新型的散热基板材料,如金属芯印刷电路板(MCPCB)、低温共烧陶瓷金属基板(LTCC-M)、金属绝缘基板(IMS)和金属基复合基板等,以为功率型LED基板材料的选择和封装设计提供一定的帮助和参考。

1 金属芯印刷电路板

金属芯印刷电路板(MCPCB)是将热导系数相对高的金属(如铝、铜)装进印刷电路板(PCB)内,以此来强化散热效果。在LED散热通道中,它是连接内外散热通路的关键环节,兼有散热通道、电路连接和物理支撑的功能[4],其热导率可达到1～2.2 W/(m·K),能较好地解决器件在结构紧凑的趋势下所带来的散热问题。典型封装结构如图1所示[5]。图1为金属Al芯板覆晶LED,在芯板外层镀覆一层适当厚度的纳米级高导热陶瓷膜作为MCPCB的绝缘层,在芯板的正面,用镀膜的方法沉镀一层铜箔,以增强外部电极的可焊接性和引线的可键合性。这种结构本身的散热性能良好,便于二次散热操作,使可靠性改善[5]。

目前一些著名的半导体照明公司都采用了类似的金属芯基板,如UOE采用钢芯覆搪瓷。OSRAM推出的单芯片“Golden dragon”系列LED是将芯片焊接在铜合金热扩散层上,热扩散层再焊接在铝芯MCPCB上,其热导率可达1.3W/(m·K)。J.A.Curran等[6,7]用等离子微弧氧化(MAO)工艺制作的MCPCB表面生成一层40μm厚的氧化铝陶瓷薄膜,其热导率在2W/(m·K)左右,具有比一般导热树脂和高分子PCB高很多的热导率,且可以抗1000V的静电击穿。李华平等[4]利用磁控溅射系统在6061铝材料上制备得到3μm的AlN薄膜覆Al基板,生成的薄层介质具有很高的击穿电压(120～150V/μm)[8]。这种刚性MCPCB可以减少LED系统内热通道的热阻,简化封装工序,但也存在一些问题,如生成的陶瓷膜层本身有较高的残余应力,在器件工作状态下,因为各层材料的热膨胀系数差异,以及陶瓷层内的温度的非均衡性会使应力问题变得复杂,降低器件的可靠性;成膜速率过低,要想大量投入应用,还需探索高速成膜工艺。

2 陶瓷基板

与覆陶瓷薄膜基板(MCPCB)的制备相比,陶瓷块体基板的制备要容易很多,而且陶瓷材料的高绝缘性能、具有与元器件相近的线膨胀系数、高的化学稳定性和较好的热导率[9]等诸多优点,使其在功率型LED封装领域得以广泛应用。目前常用陶瓷材料中的Al2O3,由于热导率低(20W/(m·K))已不能满足功率型LED散热基板的要求;BeO虽然热导率高,但其线膨胀系数与Si相差很大,且制造时有毒,限制了自身的应用;BN[11]具有较好的综合性能,但作为基板材料,没有突出的优点,而且价格昂贵,目前只是处于研究和推广之中;SiC[12]具有高强度和高热导率,但其电阻和绝缘耐压值较低,介电常数偏大,不宜作为封装基板材料。

AlN晶体本身是宽禁带、直接带隙半导体材料,具有高热导率(250W/(m·K)),与GaN接近的晶格匹配和热膨胀系数,被认为是新一代半导体基板和封装的理想材料[13]。G.Mitic等的研究表明AlN具有与Al基板相近的硬度。T.Ruemenapp等的研究表明AlN具有高绝缘特性。

20世纪90年代以来AlN块体陶瓷基板的成型方法日趋多样化,其中以流延法最为典型[14]。清华大学的周和平等[15]利用流延法制备出性能优异的AlN基板。该基板的厚度薄至10μm,厚至1mm以上,但AlN易水解,烧结时只能采用非水系溶剂,且优质AlN粉体的合成成本高,基板金属化困难,因而其开发应用受到限制。

Lamina Ceramics利用低温共烧陶瓷金属基板(LTCC-M)的多层陶瓷金属封装(MLCMP)技术[16]封装出功率型LED阵列(约30cm2的阵列上,用1120个R.G.B LED,1400W的电驱动,获得2800lm的高光通量),其典型结构如图2[5]所示,特点在于利用比芯片面积略大的金属芯(银)导热,金属芯位于芯片的正下方,可以迅速导走热量。

利用该技术,在热处理方面与传统封装方法相比有大幅度的改善,工作温度可达250℃。

基于板上封装技术(COB)而发展起来的直接覆铜陶瓷板(DBC)也是一种导热性能优良的陶瓷基板。DBC基板是将铜箔在高温高压下直接键合到Al2O3或AlN陶瓷基板表面上烧结而成,没有使用黏结剂[17],因而导热性能好,强度高,绝缘性强,热膨胀系数(4.0×10-6/K)与Si等半导体材料相匹配,且便于装配,正逐步取代复杂的引线架以及难熔的金属基板,用于LED和激光二极管等领域[18]。

然而,陶瓷基板与金属材料的反应能力低,润湿性差,实施金属化颇为困难,因此仍然是国内外科研工作者研究的重点。

3 金属绝缘基板

自1969年日本三洋公司发明了金属绝缘基板(IMS)以来,IMS以其高的导热率、机械强度和良好的加工性能等优点,至今仍是人们继续开发和推广的主要材料之一[19],能为器件提供良好的散热能力[20]。

与其它金属材料相比,Al(Al合金)具有热导率高、成本低、加工性能好的优点,因此成为散热基板的首选材料[21]。但由于金属铝的导电性,不能直接与器件接触。为使其表面绝缘,往往需通过表面处理使其表面形成薄的氧化绝缘层。穆道斌等[22]利用阳极氧化方法制备出铝金属绝缘基板,氧化铝膜层的电阻率可达到1014～1015Ω·cm,介电常数不高于10,且对膜层进行适当后续封孔处理后可提高膜层的绝缘性能及耐蚀性。

S.H.Shin等[23]利用光刻制板技术有选择性地氧化金属铝基板(见图3),并在其上封装微米级功率型MMIC芯片,降低了封装成本,简化了基板制造工艺,且导热性能良好(Al的热导率为237W/(m·K)),其封装结构如图4[2]所示。

由于铝的热膨胀系数与Si或GaAs的相差较大,器件工作时热循环常会产生较大应力,最终可能导致失效。

Cu具有更优良的导热性能,其基板也得到了广泛应用,但存在表面氧化问题。X.Y.Fan等[24]研究的氧化方法生成的氧化结构中较传统方法内部散布的小微粒更少,CuO与芯片的粘结强度高,一定程度上提高了器件的可靠性。M.Kneissl等[25]将激光剥离了蓝宝石衬底后的激光二极管直接键合到Cu基板上,芯片产生的热直接通过Cu基板散射出去,提高了光输出功率。J.T.Chu等[26]在前人工作的基础上给芯片(1050μm×1050μm)通入驱动电流,发现当驱动电流增加大于1A时,输出功率仍然没有衰减,且散热良好,发光均匀。江风益等[27]利用基板转移技术将Si衬底上生长的GaN基LED外延材料分别转移到新的硅基板和铜基板上并对其进行比较,发现铜基板Si衬底GaN基LED芯片有更大的饱和电流,光输出效率更高,工作电压随驱动电流的变化不大,光输出在老化过程中衰减更小。铜基板芯片比硅基板芯片的可靠性更高。Semi LEDs公司生产的垂直结构铜基板LED,其光输出在高达3A的电流下未达饱和(芯片尺寸为1mm×1mm),流明效率超过70lm/W,且有良好的可靠性[28,29,30,31]。

然而铜基板同样存在与LED芯片热膨胀系数失配问题,只能通过选择合适的键合材料才能得到改善。

Invar(镍铁合金)和Kovar(铁镍钴合金)系列合金具有非常低的线膨胀系数和良好的焊接性,但导热能力较差,只能作为小功率器件的散热和连接材料。W和Mo具有与Si相近的线膨胀系数,且导热性比Kovar合金好,常用于半导体Si片的支撑材料,但与Si的浸润性不好,可焊性差,常需要在表面镀或涂覆一层特殊的Ag或Ni基合金,因而使工艺变得复杂且可靠性差,提高了成本,增加了污染[9],不适合大量使用。表1列出了几种传统封装金属材料的一些基本特性。

4 金属基复合基板

为了更好地克服单一金属作为封装基板的种种缺点,人们早已把目光投向了金属基复合材料(MMC)。金属基复合基板将金属材料的高导热性和增大材料的低热膨胀系数结合起来,具有热传导系数大(为200W/(m·K))、热膨胀系数可以调节、强度和硬度高、制造成本低等优点,能大幅度改善元器件的可靠性和稳定性,在功率型LED封装中迅速获得应用[34]。目前具有代表性的有铜石墨(Cu-Graphite)和铝碳化硅(Al-SiC)复合基板。

Glenn Sundberg等[35]研究了Cu-Graphite的制备工艺,发现通过控制纤维的类型和结构,其热膨胀系数可在(7.09～15.08)×10-6/K范围内调节,热导率高达325.4～779.7W/(m·K),且能与传统的金属镀层和焊接技术兼容,目前已在功率型电子器件散热中获得实际应用。虽然纤维具有一定的各向异性,但人们已通过采用纤维网状排列、螺旋排列、倾斜网状排列等方法来解决这一问题。

B.S.Rao等[36]将金属铝的高导热性与陶瓷碳化硅的低热膨胀性结合起来制备了满足封装要求的Al-SiC复合材料。该材料具有独特的性能组合,即高热导率、可调节的热膨胀系数、高刚度和低密度等一系列优良性能。图5给出了AlSiCp复合材料的线膨胀系数和热导率随SiC颗粒体积分数的变化[32]。由图5可知,复合材料的线膨胀系数和热导率随SiC颗粒体积分数的增加呈逐渐下降的趋势,当SiC体积分数在70%左右时,其线膨胀系数与硅相当,且能保持比较高的热导率。

美国铝业公司自1980年起一直致力于铝基复合材料的研究,并成功地将φ(SiCp)为70%～73%的铝基复合材料用于半导体的封装,提高了封装的可靠性和散热能力[37]。目前Al-SiC已被用作功率型LED的散热基板和热沉材料,并能实现气密性封装。M.A.Occhionero等[38]探究了Al-SiC在倒装芯片、光电器件、功率器件及功率型LED散热基板上的应用,在Al-SiC中加入热解石墨还可以满足对散热要求更高的工况。图6为一种LED多芯片封装模型的示意图[39]。由于芯片之间距离很近,高的热流密度以及衬底电绝缘性的要求,使这种结构将芯片粘贴在AlN衬底上,然后将衬底与AlSiC散热板相连。Al-SiC与AlN的热膨胀系数接近,保证了两者的热匹配性,减少了热应力的产生。

5 结语

LED散热器篇6

1 LED灯具的散热性能

本部分内容研究了三种典型结构冷挤压散热器的散热性能, 并与其它相对应的工艺加工出来的散热器性能进行对比和分析, 其结果如下:

1) 对于7W的大功率LED灯鳍片散热器, 拉铝型材散热器球泡灯中心灯珠的最高温度达105.39℃, 而冷挤压铝材散热器的球泡灯中心灯珠的最高温度仅为72.00℃, 表明冷挤压散热器较拉铝型材散热器的散热性能更佳, 且冷挤压散热器上的温度分布更均匀。

2) 对于24W的大功率LED灯翅片散热器, 使用压铸铝成形后LED芯片处、铝基板表面、散热器表面最高温度分别89.93℃、53.13℃、58.69℃, 而使用挤压铝成形后相应最高温度为81.72℃、46.5℃和49.71℃, 表明冷挤压散热器较压铸铝散热器的散热性能更佳, 且散热器的温度分布上冷挤压铝散热器更为均匀并保持较低值。

3) 对于24W的大功率LED灯蜂窝状散热器, 当灯头采用水平、竖直向下和竖直向上放置时, 其芯片上的最高温度分别为87.85℃、60.21℃和60.52℃, 表明散热器竖直向下放置其散热性能最佳, 竖直向上方向次之, 而水平摆放时散热性能最差, 主要原因是散热器的不同摆放形式影响其流场分布, 在竖直摆放条件下温度场的分布会使蜂窝孔中形成较为快速的流体, 即“烟囱效应”, 能够快速的带走在散热器上的热量, 极大地提高其散热能力。

4) 对于冷挤压的鳍片式散热器, 选取底板厚度、中心壁厚、叶片数目、叶片厚度、叶片弧度五个结构参数, 每个结构参数选取四个水平构建正交试验表, 分析各结构参数对其散热性能的影响, 研究结果表明所选取的五个结构参数对散热性能影响的大小顺序为:底板厚度>叶片弧度>叶片厚度>叶片数目>中心壁厚。同时推广到翅片式和蜂窝状散热器中可知, 底板厚度和翅片或蜂窝高度是散热性能最主要的影响因素。

2 LED灯具的散热设计

1) 自然对流散热。自然对流散热是利用散热器周围的空气吸收了热量之后成为热空气, 而热空气上升时, 冷空气自然而然就会下降从而带动空气之间产生对流的原理上, 透过散热鳍片和周边空气进行的直接接触, 实现热气上升, 冷气下降, 空气产生对流, 从而达到了散热的效果。虽然这种散热方法很管用, 但是, 自然对流散热的方式是需要有很大的散热表面积才能够实现其散热的效果。然而, 目前由于消费者需求, 许多大功率的LED灯具产品逐渐被推出使用, 散热鳍片也因运而生, 散热鳍片的功能在于提供较大的散热表面积, 用来强化并实现对流散热这种方式所产生的效果, 多数情况下都是装在灯具的背面。鳍片自然散热的技术已经被绝大多数的厂商运用到了大功率的LED灯具上面, 且成效显著。然而, 装入散热鳍片的使用虽然增加了散热的效果, 但同时也存在着一些弊端, 比如LED灯具经常会有灰尘堆积等问题, 而且在立杆型的LED灯具的安全悬挂方面有着一定的风险, 同时装入散热鳍片会增加LED灯具的整体重量以及制作成本, 另一方面, 由于LED灯具长时间的使用, 会面临的堆积灰尘方面的问题, 当LED灯具中的散热鳍片上积累了太多的脏污、灰尘, 将导致其散热能力逐渐弱化, 为了避免落尘堆积的问题, 可以再设计上将散热鳍片与LED灯具的光源面同向下散热。

2) 散热器结构的优化设计。在散热器结构的优化设计方面, 这里选择使用铝合金作为散热器的材料;根据累积的经验确定最优翅片的数目为36片, 翅片的高度为67m m, 翅片的宽度为2.11m m~3.12m m, 这样可以保证自然对流散热的顺利进行;由于翅片的布局关系到散热器内部气流组织和换热系数的提高, 因此在散热器的选用方面, 采用了波纹状翅面布局的结构, 这样可以制造紊流。基于此, 本文尝试选择一种在翅片间设有钉柱的翅柱复合型散热器, 其原理是针对平板翅片式散热器单纯依靠自然对流散热的缺陷。因为钉柱能够让通过该散热器的气流受到扰乱波动, 从而可以提高其散热的性能。在相同的风速下, 翅柱式散热器表面的N usselt数会比平板翅式散热器高出30%~45%;在相同的泵送功率下, 翅柱式散热器的收益因子会比平板翅式散热器约高出20%。

3) 风扇强制散热。风扇强制散热的方式可以有效的将热能排除, 这种方法在电脑、空调和汽车、微波炉等电器中都会使用到。风扇强制散热是利用风扇中扇出的风, 使空气产生对流, 然后将热空气排出灯具外再进行散热。这种方式的使用部分厂商虽然采取不多, 但也已经有些厂商利用风扇强制散热的技术, 且效果显著。

4) 电磁喷流散热。这种方式是在电器结构中采用一种薄膜空腔体, 利用电磁驱动产生动力而使薄膜上下震动, 最终产生空气对流, 从而促使空气对流, 其原理同风扇类似。电磁喷流散热不是使用风扇扇叶产生气流, 它的结构是一具有薄膜空腔体, 利用电磁或压电驱动器以每秒100~200次的频率振荡薄膜, 从而促使薄膜进行上下振荡, 随着薄膜的上下位移, 空气会流入到中空腔体再行喷出, 喷出后的气流会带动周边的空气产生涡流现象, 进而强化空气的对流能力。这种散热方式目前已经应用到了LED球泡灯。

3 结语

综上所述, LED灯具工作时的温度与灯具的散热效果有着直接切中要的关联, 同时, 影响LED灯具的发光效果以及使用的寿命的跟灯具工作时候的温度也有着不可切断的联系。因此, 对于大功率的LED照明灯具, 在设计当中非常重要的就是散热的设计, 一定要严格把控设计中的每一个环节, 综合的提高LED灯具的散热效果。为人们改善生活质量, 并促进我国节能环保型社会发展。

参考文献

[1]赵凤舞.浅析LED灯具的散热设计[J].信息技术与信息化, 2012.

[2]韩月.大功率LED灯具散热器设计[D].北京化工大学, 2012.

[3]邹华德.浅析LED灯具的散热设计[J].科协论坛 (下半月) , 2013.

LED散热器篇7

热量传递有热传递、热对流和热辐射三种方式,在LED路灯散热系统里,热传导效果最佳,对流次之,辐射较差[1]。在设计LED灯具散热机构时,首先应考虑LED灯具的使用环境,也即在繁华的马路上,恶劣的户外环境,8~12 m高的灯杆上[2],在这种使用环境中,空腔型结构比翅片式散热结构具有明显优势,可避免灰尘、树叶、鸟粪等杂物长期沉积在散热片上造成的阻热作用。

在LED散热结构的优化研究中,Vitor A.F.Co⁃sata等[3]运用CFX研究了散热器的长度、宽度、高度对LED热阻和结温的影响,并进行了优化。梁才航等[4]运用Ansys Icepak软件研究了LED散热器的翅片高度、厚度、间距对LED结温的影响,结合金属热强度指标对各几何参数进行优化。本文通过实验数据和速度场、温度场模拟数据分析方法,对空腔型LED路灯散热结构系统进行分析,探索改良散热结构方案,对行业内共同面对的问题进行探索。

1 空腔型LED路灯模型各部件的基本参数

(1)支承散热板:其外形尺寸为526 mm×586 mm×8.3 mm,支撑散热板几何结构见图1。用以安装反光器与固定芯片。后续讨论中热物性参数采用标准铝热导率,即237 W/(m·K)。

(2)散热边框:挤拉铝,外表面有凹凸槽,厚度为2.5 mm。导热参数选用为AA6063型合金,其热导率为201 W/(m·K)。吸热板与散热边框采用铝条焊接,三处正反面全焊接。

(3)芯片数据:美国普瑞芯片(Bridgelux)。芯片光效是120 lm/W,其工作过程中有约10%~15%的电能转换成光能,结温最大为150℃,最大电流700 m A,40 W集成热阻为10℃/40 W。

(4)散热过程中其他部分材料的热物性参数:

导热硅胶导热系数:3.0 W/(m·K);

空气导热系数:0.023 W/(m·K)。

2空腔型路灯散热系统实验情况分析

空腔型LED路灯的散热性能通过工作条件下的实验来进行测试分析,实验分为基准实验与稳态实验两个部分。

2.1基准实验

基准实验主要通过改进优化现有的实验装置,对该实验测试系统进行测试与调试并对空腔型LED路灯进行基准实验,以提供相应的参考数据。

实验包括测试系统校验,基准数据采集,启动数据采集,运行数据采集等部分。实验的测试装置经过改进与重新标定,由20支热电阻、2支热电偶与2支温度计组成,测量考虑其相互验证的作用,增加其准确度。

温度测量部位包括:LED芯片集成铜基板上侧弧形处,铜铝交界面(芯片与支承散热板的接触面),支承散热铝板,边框,驱动电源,上灯盖等。

各温度测量点分布如图2所示,温度计测量的参数是稳定后的实验房间内温度。

实验所得结果汇总如表1。

由于LED芯片在实际工作中电压等参数并不是标准状态下的额定工作参数,所以在进行测试4与测试5温度数据采集的同时额外了采集了LED芯片与驱动实际电压、电流等工作参数。通过对实际工作中LED芯片的工作参数的测量,精确地获取发光芯片的实际工作状况,并为后续的数值模拟提供实际工作数据。

2.2 测试原理

空腔型LED路灯工作电路以及测量电路如图3所示。

2.3 空腔型LED路灯工作参数

表格2为测试5与测试6中获取的空腔型LED路灯工作的实际电路参数结果汇总图,测量装置为功率计与万用表。

2.4 实验结果分析

(1)空腔型LED路灯有着较好的热适应能力,在周围换热条件较差的环境下仍能满足节温低于90℃。

(2)该空腔型路灯的散热系统通畅。外界扰动源的影响会迅速地反映在各个测量点的温度上的变化上,该散热系统基本满足该功率路灯的散热要求;

(3)散热系统通道中芯片与支承散热板间、支承散热板与灯壳(侧框)连接处、灯体外壳与外界空气间热阻较大,可以针对其做出一些优化改进。

2.5 在现有条件下的相关改进措施

(1)减少热阻

实验中芯片与铝制支承板之间通过导热硅胶进行粘合,LED路灯工作产生的高温会使得导热硅胶结构发生变化,使得该处热阻剧烈增加,严重影响路灯的散热能力。支承散热板与散热边框采用铝条焊接,三处正反面全焊接,焊接效果难以保证,在支承散热板与边框接触处带来比较大的热阻。

改进措施:采用掺混粘度较低的脂类有机物的方式,保证导热硅胶在高温下不变质;锡的导热效果与物理特性远优于导热硅胶,可以考虑采用锡片焊的工艺代替涂抹导热硅胶的工艺。(锡热导率67 W/(m·K));采用新型石墨片代替导热硅胶来连接支承散热板与芯片;改进边框结构与支承散热板的连接方式,通过开槽等方式将内部支承散热板于边框开槽内焊接,减少传热过程热阻数量。

(2)增加热辐射

实验中所采用的空腔型LED路灯的空腔内部与外部表面均为光滑表面,不利于辐射换热的进行。

改进措施:采用喷涂热量辐射散热涂层,借以形成良好的热反射面,减小空腔部分的散热热阻;在灯体外壳处涂抹适当涂层,增进壳体与环境间的辐射换热。

3 空腔型LED路灯的内部热性能模拟分析

空腔型灯具的特点是LED热量由腔体中间的导热板向四周肋片导热,热量通过腔体内的自然对流(或空气层的纯导热)和热辐射方式向外传递,热量到达灯具外壳表面,再通过对流和热辐射方式散失到大气环境中[5]。针对空腔型LED路灯的特点,结合前期实验获取的数据,本文主要针对空腔内外空气的速度场、温度场以及LED芯片的支承散热板上的温度场分布进行数值模拟,相关计算结果如下。

3.1 空腔内空气流动传热分析

空腔内的散热通道为:支承散热板与空腔内空气的自然对流,空腔内空气的流动与传热,空气与灯体上端盖的自然对流。空腔内空气在以自然对流为主要换热方式的同时发生辐射换热,由于辐射过程传递热量较小,不在模拟部分讨论。

空腔内空气在芯片支承散热板的加热下,自发产生自然对流,强化空腔内部的热量传递过程,促进了内部对流。数值模拟采用的参数设定均由参考实验数据与相关经验数据取得,数值计算参考相关工程案例设置安全系数。

相关区域定义与参数设定如图4和表3。

图5为数值模拟结果,空腔型LED路灯新的电驱动安装方式会给空腔内流场带来一定的影响。上图为考虑驱动电源散热时空腔内的空气流场,即实际工作中空腔内温度分布以及流场分布;下图为不考虑驱动电源散热时空腔内空气的流场,即理想情况下空腔内流场分布。

由两者对比可以看到:电源驱动对于空腔内空气流场有着一定的影响,电源驱动产生的热量使得空腔内流场形态发生变形,内部自然对流旋流的数量和范围都发生明显变化,对空腔内部的热量传递产生影响。

3.2 空腔外空气流动传热分析

路灯外侧的散热通道为大空间内的自然对流,模拟采用静止的空气进行模拟(即无风等扰流源存在的情况)。

数值模拟的参数设定如表4。

所得的空腔型路灯外围区域温度分布场如图6。

由图6可以看出,在不存在外界扰流源(风等条件)的情况下,空腔型LED路灯外侧温度场是比较均匀的,外部空气产生较大温度变化的区域较小,外壳表面激发的自然对流带来的强化效应并不明显,该情况可以视作最恶劣工况来对产品进行实验验证。

3.3 支承散热板传热分析

支承散热板为芯片的固定连接件,其表面的温度场分布对空腔内自然对流强度以及后续散热通道支路都有着较大的影响。支承散热板内热量传递过程主要是:由四个芯片固定处吸收热量,支撑板内部热传导,同时与表面的自然对流热量输出过程相互耦合,产生不均匀的温度场,从而分配散热通道各支路的热量分布。

数值模拟的初始参数设定参考实验数据与相关经验数据取得,设定考虑安全系数,具备一定的广泛适应性,相关参数设定如表5。

支承散热板的温度场模拟结果如图7。

由模拟结果可以看出:铝制支承散热板内温度分布具有不均匀性,温差可以达到6℃,温度场分布大致呈现出与芯片接触区域温度最高,然后向四周辐散开的趋势。

3.4 基于模拟结果分析的改进建议

(1)优化驱动电源位置

关于电源驱动的放置位置,将其固定在灯尾外壳内侧的方案较直接将其固定于支承散热板上有着明显的散热方面的优势。此外可以尝试将电源驱动放置于支承散热板与边框间,通过实验进行散热性能对比,以确定最优化的电驱动放置方式。

(2)充分利用换热面积

路灯外壳与环境间的热量传递是散热系统的重要部分,空腔型LED路灯有着天然的换热表面积大的优势(空腔型LED灯散热面积50 cm2/W)。

(3)改进支承散热板设计

支承散热板的厚度不宜过厚,由于铝的导热率较高,将铝片厚度增大的方式实质是通过增加其与边框的焊接接触面积来增加散热效果。但这样不利于产品成本控制,建议可以通过实验部分的第二点建议进行优化改进分析,或者在工艺满足的情况下,通过减小支撑板厚度,将其做成“凹形”或“工”字形的结构形式,增加与边框的焊接接触面积。

(4)散热器设计改进方案

充分考虑自然对流的特点。自然对流产生的边界层比较厚,故而肋间距太小会带来相邻肋间的热边界层交叉,影响肋表面的自然对流。一般情况下,利用自然对流散热器的肋间距应大于12 mm,散热器肋高低于10 mm,一般可按肋间距大于等于1.2倍肋高的原则来确定散热器高度。

保证有效散热面积,通常1 W大功率LED散热片的有效散热表面积总和大于等于50~60 cm2,3 W大于等于150 cm2,尽量保证散热片温度不超过60℃,不能机械地理解为达到该散热面积就可满足设计要求[6]。

4 LED灯寿命与出光率分析

根据实验测试数据,结合表6,图8,对测试所得结果寿命与出光率的理论分析见表7。

5 结束语

本文对空腔型LED路灯散热结构系统进行实验分析和数据模拟分析,分析过程涉及对导热、自然对流、热辐射的分析,提出综合优化方案,对于LED路灯散热结构设计分析具有重要指导意义。

参考文献

[1]刘红,赵芹,蒋兰芳,等.集成式大功率LED路灯散热器的结构设计[J].电子器件,2010,35(4):481-484.

[2]孟庆云.LED路灯散热结构分析[EB/OL].http://wenkw baidu.com,2010-12-08.

[3]VITOR A.F.C,ANTONIO M.C.L,Improved radial heatsink for led lamp cooling[J].Applied Thermal Engi-neering,2014(70):131-138.

[4]梁才航,杨永旺,何壮.LED路灯散热器散热性能的数值模拟[J].照明工程学报,2016(1):124-128.