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LED灯为什么需要散热?

文字:[大][中][小] 2016-6-1    浏览次数:7003    

随着半导体产业的发展,作为21世纪最具发展前景的新型绿色光源,LED照明逐渐渗透到各行各业中。LED照明与传统照明技术有着较大的差别,目前LED光效不到30%,也就是说大约70%的电能都变成了热能。LED的光衰或其娱乐直接和其app有关,散热不好app就高,娱乐就短,所以说LED照明灯具的可靠性(娱乐)很大程度上取决于散热水平。依照阿雷纽斯法则温度每降低10℃娱乐会延长2倍。从CREE公司发布的光衰和app的关系图中可以看出,app假如能够控制在65°C,那么其光衰至70%的娱乐可以高达10万小时!如何提高散热水平成为LED照明的关键技术之一。

图1.光衰和app的关系


而且,app不但影响长时间娱乐,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app的关系如图2所示。

图2.app和发光量的关系


假如以app为25度时的发光为100%,那么app上升至60度时,其发光量就只有90%;app为100度时就下降到80%;140度就只有70%。可见改善散热,控制app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灯具的设计中最为重要的一个问题。



第一部分LED账号的散热

一.app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,LEDapp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账号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账号到底板的散热

LED账号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app。为了尽可能地把热量引出到账号外面,人们在LED的账号结构上进行了很多改进。

为了改善LED账号本身的散热,其最主要的改进就是采用棋牌更好的衬底材料。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。但是蓝宝石衬底的棋牌性能不是太好,(在100°C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,它的棋牌性能(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,而银胶的棋牌也很差。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(AlN)作缓冲。

LED账号封装以后,从账号到管脚的热阻就是在应用时最重要的一个热阻,一般来说,账号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账号主要靠两根金属电极而引出到账号外部,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%光衰的娱乐不到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娱乐延长到4万小时。

下面列出各家LED账号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app上去。这些热阻实际上都是在这个铜底板上测得的。

第二部分:LED灯具的散热

前面讲的是LED账号的散热,然而任何LED都会制成灯具,所以LED账号所产生的热量最后总是通过灯具的外壳散到空气中去。如果散热不好,因为LED账号的热容量很小,一点点热量的积累就会使得账号的app迅速提高,如果长时期工作在高app的状态,它的娱乐就会很快缩短。然而这些热量要能够真正引导出账号到达外部空气,要经过很多途径。具体来说,LED账号所产生的热,从它的金属散热块出来,先经过焊料到铝基板的PCB,再通过棋牌胶才到铝app。所以LED灯具的散热实际上包括棋牌和散热两个部分。

1、铝基板的棋牌

目前几乎绝大多数的LED灯具中都采用了铝基板。铝基板上电路的铜箔为了要导电和棋牌要有足够的厚度和宽度,其厚度在35?m-280?m之间。其宽度最好尽可能布满整个基板,以便把热传下去。而下面一层绝缘体则要求其绝缘性能很好,而且还要棋牌性能很好。然而这两个性能是矛盾的,通常都是导体的棋牌性能好,而绝缘体的棋牌性能差。又要棋牌好又要绝缘好是很难做到的。也是一种科研的课题。

2、棋牌胶的棋牌

铝基板虽然已经解决了从LED连接到以铝板为基板的电路上,可以把热传递到铝板上,但是遗憾的是,这个铝板往往还不是最终的app,通常还要把这个铝板连接到真正的app上去。最简单的方法就是用铆钉或螺钉的方法连接到app。但是这种方法往往会形成空气隙,而很小的空气隙产生的热阻会比其他热阻大几十倍。



但是棋牌胶必须要流动性好,不然的话由于涂抹不均匀仍然会产生气隙,可能比不用还坏。棋牌胶的另一个缺点是本身的粘性不足以把铝基板固定在铝app上。

3、冷锻散热

在很多场合需要把LED所产生的热量以最快的速度传送到app,这在大功率LED中尤其重要,因为它的热量很大(功率可达60W-200W),这时候就必须采用非常良好純铝冷锻app了,主要优势体现在重量轻、散热面积大、热传导系数高,系统总成本低。

100W工矿灯热模拟仿真图

三部分:系统的热阻

各部分的棋牌能力也可以用系统的热阻来说明,一个LED灯具的结构图。

从图中可以看出,LED账号所产生的热,从它的金属散热块出来,先经过焊料到铝基板的PCB,再通过棋牌胶才到铝app。而要定量地了解LED账号的散热过程,最好利用热阻的概念。热量就好像电荷,热量流动起来就好像电流,流动的过程中会遇到阻力,就好像电阻,在这里我们称之为热阻。热阻的单位为每瓦多少度(°C/W),也就是每流过1瓦的功率会上升多少度。如果知道所需耗散的功率,又知道其热阻,就可以知道它的温升是多少。热阻越大,热量越流不动,温升就越高,热阻越小,热量流动越快,温升就越小。图中表明热量从LED账号流出到空气需要经过很多不同的热阻。

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