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led散热设计

2018-02-28 10:15:36 【东智精密】   来源: xiexuhui     阅读

对于一般照明使用,将需要大量的LED元件集成在一块模组中以达到所需之照度。但LED的光电转换效率不高,大约只有15%至20%左右电能转为光输出,其余均转换成为热能。

热量是LED的最大威胁之一,不仅影响LED的电气性能,最终导致LED失效。如何让LED保持长时间的持续可靠工作是目前大功率LED器件封装和系统封装的关键技术。

一、热量来源

对于由PN结组成的发光二极管,当正向电流从PN结流过时,PN结有发热损耗,这些热量经由粘结胶、灌封材料、热沉等,辐射到空气中。

在这个过程中每一部分材料都有阻止热流的热阻抗,也就是热阻,热阻是由器件的尺寸、结构及材料所决定的固定值。

设发光二极管的热阻为Rth (0C/W),热耗散功率为PD (W),此时由于电流的热损耗而引起的PN结温度上升为:

PN结结温为:

其中TA为环境温度。

二、热量对LED的影响

LED发光过程中产生的热量将会造成LED模组的温度上升,当温度升高:
1. 发光强度降低:
随着芯片结温的增加,芯片的发光效率效率也会随之减少,LED亮度下降。同时,由于热损耗引起的温升增高,发光二极管亮度将不再继续随着电流成比例提高,即显示出热饱和现象。

2. 发光主波长偏移

随着结温的上升,发光的峰值波长也将向长波方向漂移,约0.2-0.3nm/0C,这对于通过由蓝光芯片涂覆YAG荧光粉混合得到的白光LED来说,蓝光波长的漂移,会引起与荧光粉激发波长的失配,从而降低白光LED的整体发光效率,并导致白光色温的改变。

3. 严重降低LED的寿命,加速LED的光衰。

三、LED的散热考虑

对于功率LED来说,驱动电流一般都为几百毫安以上,PN结的电流密度非常大,所以PN结的温升非常明显。

对于封装和应用来说,如何降低产品的热阻,使PN结产生的热量能尽快的散发出去,不仅可提高产品的饱和电流,提高产品的发光效率,同时也提高了产品的可靠性和寿命。

为了降低产品的热阻:

首先封装材料的选择显得尤为重要,包括支架、基板和填充材料等,各材料的热阻要低,即要求导热性能良好。

其次结构设计要合理,各材料间的导热性能连续匹配,材料之间的导热连接良好,避免在导热通道中产生散热瓶颈,确保热量从内到外层层散发

LED散热主要从3个方面着手:

第一,从芯片到基板的连接材料的选取;

第二,基板材料的选取;

第三,基板外部冷却装置的选取和基板与外部冷却设备连接材料的选取。

1. 芯片到基板的连接材料的选取

普通用来连接芯片和基板采用的是银胶。但是银胶的热阻很高,而且银胶固化后的内部结构是:环氧树脂骨架和银粉填充式导热导电结构,这样的结构热阻极高,对器件的散热与物理特性稳定极为不利,因此选择的粘接的物质是锡膏。

2. 接着就是基板的选择

上表是常见的基板和支架的材料导热系数,由表知,银、纯铜、黄金的导热系数相对其他较高

但银、纯铜、黄金价格高,为了取得很好的性价比纯铝的导热系数,因此基板采用的是铜或铝质地。

3. 基板外部冷却装置的选取

大功率LED器件在工作时大部分的损耗变成热量,若不采取散热措施,则芯片的温度可达到或超过允许的节温,器件期间将受到损坏,因此必须加散热装置。

最常用的是将功率器件安装在散热器上,利用散热器将热量散到周围空间,它的主要热流方向是由芯片传到器件的底下,经散热器将热量散到周围空间。
散热器由铝合金板料经冲压工艺和表面处理制成,表面处理有电泳涂漆或黑色氧化处理,目的是提高散热效率和绝缘性能。

散热器散发的热能与环境温度的温差大致成正比,对流的速度越快,则散热器本身的热阻也就越小。

4. 基板与外部冷却设备连接材料的选取

就界面热阻而言,空气间隙是最大的敌人。

尽管基板与散热器之间肉眼能观察到的间隙很小,但是由于材料表面的不平整,实际还是存在着细微的空隙。

由于空气的界面热阻很大,不利于扩散,故大大增加了整体界面的热阻。

根据分析,减低界面热阻的方法为:

增加材料表面的平整度,

减小空气的容量;

施加接触压力。

因此在基板和外散热器的填充物质上,选择导热的硅树脂。

四、散热机制

散热的基本途径主要有以下三种:热传导、对流、辐射。

与其他固体半导体器件相比,LED器件对温度的敏感性更强。由于受到芯片工作温度的限制,芯片只能在120度以下工作,因此器件的热辐射效应基本可以忽略不计。传导和对流对LED散热比较重要。

从热能分析,假设Q=发散功率 (Pd) = Vf X If, 而且Vf和If相对变化比较小。

所以我们在做散热设计时主要先从热传导方面考虑,热量预先从LED模块中传导到散热器。

1. 热传导

首先考虑热源是均匀地加载在导热材料的整个表面的情况,由Fourier导热定律得知,热流密度与温度梯度成正比:

其中k为热导率,A为面积,Δx为导热材料的厚度,q为热流密度,表示单位面积的耗散的功率。

对于多层复合材料,总热阻可以简化为:



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