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史上最全LED散热问题

时间:2017-04-06 10:31:09    来源:

  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10℃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!
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。

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,(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。
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。
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。
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。



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