首页
品牌榜
新浦京棋牌
供应商
照明工业
返回顶部
目前的LED仅有20%~30%的光电转换效率,新浦京澳门娱乐:第一部分 LED芯片的散热 一. 结温是怎么产生的
发布时间:2020-02-12 14:43
浏览次数:

LED筒灯发光散热的影响因素发布于:2014-11-21 14:25发布人:fanjingyi8888来源:梵一照明电器厂点击量:314   影响LED筒灯发光效率的散热效率因素主要有如下。   1)LED筒灯散热基板、热沉及封装材料的选择,一个关键指标就是选择低热阻值的材料。   2)各材料之间的导热要连续匹配,结构设计上要求各结构之间的导热连接良好,结构热阻要小,不存在导热通道的散热瓶颈。   3)具体说来,增大芯片面积;采用倒装芯片结构、芯片凸点的硅载体直接装在热沉上;采用强制冷却的方法将产生的热量尽快地导出等,这都是一些经实践检验较好散热效果的方案。   目前,LED业内的通用方案为下游应用厂商从上游生产厂家购买LED芯片,将芯片焊接在铝基板(printedcircuitboard,印刷电路板)表面的电路图案上,然后再把铝基板板用导热胶粘在金属热沉上。这是业界目前LED筒灯的通用方案之一。LED等通过铝基板电路连接,铝基板作为散热热沉用,微热管和铝翅片都是为了进一步加强散热效果,从而最大程度保证其LED筒灯的发光效率。  光柏士照明专业十年酒店商业工程照明LED筒灯,实用新型专利产品,可以使产品使用寿命延长二倍,真正做到为您的成本节约三倍。   公司官网:www.fanyiled.com   企业直销:   全国热线:4000-171-168

新浦京澳门娱乐 1

新浦京澳门娱乐 2

新浦京澳门娱乐 3

新浦京澳门娱乐 4

LED用于照明存在一个共性的应用难题散热,目前的LED仅有20%~30%的光电转换效率,其余的能量转化为热量。若灯具LED芯片中的热量不能有效散发,会使LED芯片PN结温度过高,导致发光效率降低、芯片发射光谱发生红移、色温质量下降、荧光粉的转换效率降低[1],工作寿命下降甚至可使LED永久失效等问题[2]。当前LED灯具散热方案分为被动散热和主动散热,被动散热方案如自然散热、热管技术、均温板技术、回路热管技术[3];主动散热如风冷散热、微通道热沉散热、半导体制冷散热[4]等。这些散热方案结构相对较大,在道路照明如LED路灯、LED隧道灯等较大的灯具上可作为有效的方法,但LED筒灯由于其体积大小、外观要求、工作环境的限制影响,更多的还是采用自然散热。

创建节约型社会已成为人们的共识,但是目前道路照明中仍然大量使用的高压钠灯灯具的综合效率并不高,只有70%左右,且显色指数偏低,夜间照明感觉昏暗,不利于汽车驾驶人员和行人对目标和障碍物的分辨,对道路交通安全存在一定的影响。

摘要:LED技术发展到今天,单个LED光通量的提高已经使得它可以进入照明领域。然而,大功率LED固态照明单个LED光通量提高伴随着热阻技术瓶颈,散热处理是否成功直接影响到LED固态照明的光学参数以及产品的寿命等指标。武汉维新光电子技术有限公司开发的DCJG—S技术在大功率LED封装上的应用,解决了大功率LED固态照明热处理方面的问题——大量热量的疏导,为固态照明的广泛应用提供新的解决方案。 关键词:LED照明、热阻、固态照明1、LED固态照明简述 LED固态照明是继白炽灯发明以来,最重要的照明革命,由于半导体材料,将电能直接转化为光,所以LED固态照明是具有与传统照明光源最大的不同在于它的光线不是由热而发光,是真正意义上的绿色光源,具有寿命长、能耗底、发光效率高、稳定性好、无频闪、无红外和紫外辐射等优点,并且发出的光色度纯。 LED固态照明的研究领域包括七个方面:基础结构、封装结构、寿命、量子效率、可靠性和可控性、降低成本。本文所介绍的主要着眼于基础结构以及多芯片封装结构的热处理技术。2、LED固态照明的热问题及其影响 2.1为了适应通用照明的需要,固态照明光源迫切需要解决单个芯片散热问题,又需要解决多芯或多个LED灯管集成组成的散热问题,其热聚效应及热阻过大,直接导致LED结温升高。据有关资料分析,大约70%的故障来自于LED的结温过高,并且在负载为额定功率的一半情况下,温度每升高20℃,故障率就上升一倍。 2.2LED热的传导和疏散 LED固态照明光源需要解决如下几个环节的散热问题:1.芯片结到外延层;外延层到封装基板;封装基板到冷却装置,这三个环节构成固态照明光源热传导的通道,热传导的通道上任何薄弱环节失败都会使LED光源毁于一旦。为了取得更好的导热效果,首要的是:三个环节上都需要采用热导系数高的材料。本文论述热阻设计第三个环节,即封装基板到冷却装置。3、封装基板到冷却装置 3.1大功率LED固体照明开发现状 单芯片W级功率LED现已达到1W、3W和5W。然而实际上大功率LED的发热量却比小功率LED高数十倍以上,而且温升还会使发光效率大幅下跌,即使封装技术允许,热量高不过LED芯片的接合温度却有可能超过容许值。因此低功率多芯片式多个LED组合成LED固体照明光源,在实际使用中更为普及,在散热问题上相对处理较容易,例松下公司推出64只芯片组封装的大功率LED,日亚公司推出的多芯片组合的LED固体照明光源,其光通量可达600LM,输出光通量为1000LM时,耗电量30W,最大输入功率为50W,发光效率达33LM/W。 传统的LED灯封装结构,一般是用导电或非导电胶将芯片装在小尺寸的反射杯中或载片台上,由金丝线完成器件的内外连接后用环氧树脂封装而成,其热阻高达250℃-300℃。对于功率型LED芯片,可采用低阻率、高导热性的材料粘结芯片;在芯片下部加铜或铝等金属热沉,并采用半封装结构,加速散热降低热阻。 3.2一种叠层结构LED固体照明设计 封装基板散热设计,首先通过提高材料热导系数,降低热膨胀系数不匹配度来增强LED热处理性。其次要考虑散热通道及散热板的热容量,散热通道畅通,散热好,散热板热容量大,热传导性能好,热阻小,LED结升温就慢,对LED发光性能就有很好保障,也就能实现多个LED集群式封装。 如图1,叠层结构为双面线路板2,两端焊接有散热金属板1,LED芯片3直接焊装在散热金属板上,再通过金丝焊线,连接另一端的金属散热板。金属散热板既是LED封装基板,也是连接外部的冷却装置,LED供电通过双面线路板传至两端金属散热板。

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10℃寿命会延长2倍。从Cree公司发布的光衰和结温的关系图 中可以看出,结温假如能够控制在65°C,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!

LED筒灯采用LED作为光源,其结构是在传统筒灯结构基础上进行改进。LED筒灯具备传统筒灯的特点,同时兼有了LED的所有优点:节能、低碳、长寿、显色性好、响应速度快等[5]。LED筒灯的设计更加的美观轻巧,安装时能达到保持建筑装饰的整体统一与完美,不破坏灯具的设置,光源隐藏建筑装饰内部,光源不外露。LED筒灯通常采用COB、阵列大功率LED(1W以上)、阵列中小功率LED(0.5W及以下)等几种光源形式,其中阵列中小功率LED光源的光学效果最好,人的视觉效果柔和、均匀,目前大部分LED筒灯都采用这种光源形式。

目前,大功率白光LED在发光效率(80lmPW)、使用寿命(50000h)、光输出特性、显色性能(75~80)、色温的选择、可调控性以及绿色无污染等方面具有独特的优势,能够按照城市道路照明设计标准的要求,方便灵活地设计出合乎光输出要求的、令人满意的路灯,成为具有极强竞争力的新型优质光源。在决定LED路灯应用的几个关键技术中,散热设计是非常重要的一环,也是制约其能否获得广泛使用的技术瓶颈之一。也就是说,散热设计的好坏将直接决定LED路灯的性能指标优劣以及实际的推广应用能否获得成功。

图1

图1. 光衰和结温的关系

利用有限元CFD仿真软件可以全面分析LED灯具的热传导、热对流及热辐射,分析求解LED灯具内外的温度场和流场等,适用于目前LED照明灯具散热模拟仿真。白坤等[6]对一种3芯白光LED筒灯进行有限元散热模拟,分析了衬底、锡膏、铜箔、铝基板等热通道材料的横向热阻和纵向热阻,并提出一种利用铜柱连接外部散热器的快速热通道优化设计;马湘君等[7]利用有限元方法分析计算了15WLED筒灯温度场,进一步分析了PCB导热率、导热胶导热率和芯片位置(相对于鳍片式散热器)等对LED灯具散热效果的影响。本文将从筒灯主要热源处LED光源的布局分析它对LED筒灯散热的影响,采用散热模拟仿真与实验测量相结合的方法进行研究,并将研究结果应用于LED筒灯产品改进设计中。

大功率LED的散热方案

该种结构实现串联或并联,就可实现多个或集群式LED封装,从而达到W级LED固态照明目的。该种设计也可将封装好的贴片发光二极管两极焊接在两端散热板上。如图2所示,散热板5为一环状金属散热筒,中间为一个环形的双层线板3,LED芯片4直接焊装在环状金属散热筒上,其热传导功能与上述图1原理一样,通过串联,实现集群式LED环状360゜发光面。

而且,结温不但影响长时间寿命,也还直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。

LED筒灯散热建模及仿真

大功率LED是构成LED路灯的基本发光源,目前的芯片电P光转换效率很低,只有15%~20%,芯片的物理尺寸为1~6125mm2,面积很小,功率密度及发热量很大,所消耗电能中的80%~85%将转换为热能而需要被散发掉,并且芯片的温度超过一定值时,发光波长变长,颜色发生红移,将导致芯片出光效率下降和使用寿命减少等诸多问。因此要保证大功率LED能够正常有效地使用,散热是首先需要解决的关键问题。

图2

图2. 结温和发光量的关系

本次研究选用一款8寸25WLED筒灯作为主要研究对象,其实物如图1所示,三维造型模型图如图2所示。

温度对LED的影响及封装的一次散热方案

上述图1、图2与传统的固态照明光源的散热通道相比,散热环节减少了,由于芯片直接焊装在金属基板上,散热效率更高,芯片到金属散热减少了封装基板环节,同时根据LED芯片的功率,可加大或缩小散热板的宽度和厚度,使热参数匹配。 3.3 叠层结构热处理设计简述 LED发光芯片内部的热处理设计固然非常重要,但集群LED固态照明散热装置也极为重要,依据散热设计的如下基本公式:Tr散热器=/功率–Tr发光LED-Tr界面式中: 125℃是结温的典型值。 安全温度阀值一般来说取10℃。 Tr发光LED是LED封装结构自身的热阻。 Tr界面是LED封装结构与散热器之间的界面热阻。 由基本公式得知,叠层结构相对于传统LED照明设计,Tr界面热阻值小,Tr值就越大,Tr散热器就越小。同时Tr散热器根据散热板尺寸的大小,设计有较大的余量。 另外降低界面热阻也需要增加界面的平整度,使用导热性能更高的填充材料及较好的封装工艺。4、结论 DCJG-S技术出色热导性能在一定程度上解决了大功率LED固态照明的瓶颈—过高的结温所引发的一系列问题,使得实用级的LED固态照明光源成为可能,该技术已申报国家专利,并已在实施过程中。(end)

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;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20~30%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。 二. 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,),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)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。

图1 LED筒灯实物图

大功率LED芯片工作时的结温高低与光通量、寿命的关系极为密切。为了将高达80%~85%的热量散发掉,LED在封装时就采用了科学的热流程设计和卓有成效的封装工艺。通过应用高导热的材料(内部热沉)来保证由芯片产生的高热能够顺利地导出,使得封装成型后的LED具有良好的导热和热散出性能。

图3. 蓝宝石和碳化硅衬底的LED结构图

图2 LED筒灯三维模型

LED结温与光通量、寿命的关系

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 作缓冲。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: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ф5或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。 下面列出各家LED芯片公司所生产的各种型号LED的热阻由表中可见,Cree公司的LED的热阻因为采用了碳化硅作基底,要比其他公司的热阻至少低一倍。大功率LED为了改进散热通常在基底下面再放一块可焊接的铜底板以便焊到散热器上去。这些热阻实际上都是在这个铜底板上测得的。是不是碳化硅就是LED衬底的最佳选择呢,不是这样,任何事物都会有创新和发展的,最近台湾的钻石科技开发出了钻石岛外延片(Diamond Islands Wafer,DIW)做为生产超级LED 的基材。这种LED的热阻可以低至<5°C/W。用它制成的超级LED 可发出极强的紫外光,其强度不因高温而降低,反而会更亮。其结构图如图4所示。

1234>

基于大功率LED的工作特性,其结温的高低与光通量的大小、使用寿命的长短有直接的利害关系。

图4. 采用类钻碳(Diamond Like Carbon,DLC) 的镀膜可以大大改善LED的散热

1.热阻计算

图1给出了某国际品牌LED芯片的结温与光通量(图1(a))以及使用寿命(图1(b))的关系。

图5. 用DLC镀膜和铝结合可以比其它结构的LED有更好的散热特性

热阻(Rth)是指热量在热通道上遇到的阻力,公式定义为热通道的温差(ΔT)与热通道上的耗散功率(P)之比[8],见式(1);也可通过材料导热系数(K)来计算[9],见式(2)。

由图1可见,随着LED芯片的结温升高,其输出的光通量在有规律地下降,使用寿命也呈现出快速下降的趋势。因此设法将芯片的温度维持在允许的范围内,是LED应用首先要解决的关键性技术问题。

而且采用紫外线来激发各种荧光粉也可以得到所需要的各种颜色的LED。而且荧光粉不是采用和环氧树脂或硅胶混合的方法而是直接涂于芯片表面还可以避免由于环氧树脂和硅胶的老化而产生的光衰。这将会使整个LED产生革命性变化。而且摆脱了日美等国的专利束缚。 三. 集成LED的散热 现在有不少厂商把很多LED晶粒集成在一起以得到大功率的LED。这种LED的功率可以达到5W以上,大多以10W,25W,和50W的功率等级出现。为了 把多个LED晶粒或覆晶封装)连接在一起,因为这些晶粒极为精细,所以需要采用精确的印制电路进行连 接。为了得到更好的散热特性,通常采用陶瓷基板。这种陶瓷基板是由氧化铝和氮化铝构成。各种材料的导热系数如下表所示。不论氮化铝还是氧化铝,它们都是一种绝缘的陶瓷材料,所以可以把印制电路做在上面。但是氮化铝具有高10倍的导热系数,所以现在更常用氮化 铝。过去采用厚膜电路,但是其表面不平,电路边缘毛糙,而且需要800°C以上的烧结温度。现在大多采用薄膜电路,因为它只需要300度以下的工艺,表面 平整度可以<0.3um,不会有氧化物生成,附着性好,电路精细,误差低于+/-1%。它实际上是采用照相刻蚀的方法来制作,采用氧化铝为基底的薄 膜电路制备的具体过程如下:

(公式1)

1234>

图6. 薄膜电路的制备过程

友情链接: 网站地图
Copyright © 2015-2019 http://www.pixiessinugba.com. 新浦京棋牌手机版下载-澳门app娱乐官网有限公司 版权所有