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【技术百科】LED散热技术

广东省光电技术协会 2019-01-10 15:54:58

发热问题


        与传统光源一样,半导体发光二极体(LED)在工作期间也会产生热量,其多少取决于整体的发光效率。


       100W全塑工矿灯在外加电能量作用下,电子和空穴的辐射复合发生电致发光,在PN结附近辐射出来的光还需经过芯片(chip)本身的半导体介质和封装介质才能抵达外界(空气)。综合电流注入效率、辐射发光量子效率、芯片外部光取出效率等,最终大概只有30-40%的输入电能转化为光能,其余60-70%的能量主要以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化热能。


对寿命影响


        一般来说,LED灯工作是否稳定,品质好坏,与灯体本身散热至关重要,市场上的高亮度LED灯的散热,常常采用自然散热,效果并不理想。LED光源打造的LED灯具,由LED、散热结构、驱动器、透镜组成,因此散热也是一个重要的部分,如果LED不能很好散热、它的寿命也会受影响。


热量管理是高亮度LED应用中的主要问题


        由于III族氮化物的p型掺杂受限于Mg受主的溶解度和空穴的较高启动能,热量特别容易在p型区域中产生,这个热量必须通过整个结构才能在热沉上消散;LED器件的散热途径主要是热传导和热对流;Sapphire衬底材料极低的热导率导致器件热阻增加,产生严重的自加热效应,对器件的性能和可靠性产生毁灭性的影响。


热量对高亮度LED的影响


         热量集中在尺寸很小的芯片内,芯片温度升高,引起热应力的非均匀分布、芯片发光效率和萤光粉激射效率下降;当温度超过一定值时,器件失效率呈指数规律增加。统计资料表明,元件温度每上升2℃,可靠性下降10%。当多个LED密集排列组成白光照明系统时,热量的耗散问题更严重。解决热量管理问题已成为高亮度LED应用的先决条件。


芯片尺寸与散热的关系


        提高功率LED的亮度最直接的方法是增大输入功率,而为了防止有源层的饱和必须相应地增大p-n结的尺寸;增大输入功率必然使结温升高,进而使量子效率降低。单管功率的提高取决于器件将热量从p-n结导出的能力、在保持现有芯片材料、结构、封装工艺、芯片上电流密度不变及等同的散热条件下,单独增加芯片的尺寸,结区温度将不断上升


散热方法


1.铝散热鳍片


        这是最常见的散热方式,用铝散热鳍片做为外壳的一部分来增加散热面积。


2.导热塑料壳


        使用LED绝缘散热塑料替代铝合金制作散热体,能大幅提高热辐射能力。


3.表面辐射散热处理


        灯壳表面做辐射散热处理,简单的就是涂抹辐射散热漆,可以将热量用辐射方式带离灯壳表面。


4.空气流体力学


        利用灯壳外形,制造出对流空气,这是最低成本的加强散热方式。


5.风扇


        灯壳内部用长寿高效风扇加强散热,造价低,效果好。不过要换风扇就是麻烦些,也不适用于户外,这种设计较为少见。


6.导热管


        利用导热管技术,将热量由LED芯片导到外壳散热鳍片。在大型灯具,如路灯等是常见的设计。


7.液态球泡


        利用液态球泡封装技术,将导热率较高的透明液体填充到灯体球泡内。这是除了反光原理外,唯一利用LED芯片出光面导热、散热的技术。


8.灯头的利用


        在家用型较小功率的LED灯,往往利用灯头内部空间,将发热的驱动电路部分或全部置入。这样可以利用像螺口灯头这样有较大金属表面的灯头散热,因为灯头是密接灯座金属电极和电源线的。所以一部分热量可由此导出散热。


9.导热散热一体化--高导热陶瓷的运用


        灯壳散热的目的是降低LED芯片的工作温度,由于LED芯片膨胀系数和我们常用的金属导热、散热材料膨胀系数差距很大,不能将LED芯片直接焊接,以免高、低温热应力破坏LED芯片。最新的高导热陶瓷材料,导热率接近铝,膨胀系可调整到与LED芯片同步。这样就可以将导热、散热一体化,减少热传导中间环节。


散热技术突破


        现有的天花孔灯大多采用带翅片的铝材作为散热器。这种散热器的散热效果不理想,散热体通常会达到较高的温度。


1.突破现有带翅片的铝材散热器散热效果不理想的问题


        现有的天花孔灯大多采用带翅片的铝材作为散热器,这种散热器的散热效果不理想,散热体通常会达到较高的温度。


2.采用绝缘散热塑料,替代铝合金制作散热体


        韩国于2009年已开发出一种LED生物导热塑料,在保持散热能力与铝合金持平的同时,使热辐射能力提高4-8倍。用此散热材料制作的LED散热体能大幅提升总体散热效果。


3.采用液态对流原理,提供一种具有良好散热性能的天花孔灯


        利用安装在灯罩上的储液罐中的冷却液从灯罩上吸收的热量,同时利用冷却液在高度不同的两个储液罐之间的自然对流,将冷却液从灯罩上吸收的热量散发出去,从而使天花孔灯的灯罩得到很好的冷却。


4.可以灵活转动,便于安装


        由于连接在两个储液罐之间的冷却液对流管具有波纹管结构,而且该波纹管结构可伸缩及弯曲变形,所以不会妨碍灯罩的灵活转动,也便于安装。