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科普:LED照明散热技术现状及进展

LEDinside 2019-07-13 15:51:14

LED以其体积小、耗电量低、环保、坚固耐用以及光源颜色丰富等特点。备受广大用户的青睐。但是目前LED照明的发展面临的瓶颈之一就是散热,本文将通过分析照明过程中的发热问题对LED的影响,来引出散热技术在LED照明中的重要性,并且就目前以及将来的散热技术做概括和分析。


一、LED照明中存在的发热问题以及影响

1.LED照明存在的发热问题


在使用LED照明过程中,与使用传统照明方式一样,需要将电能转换为光能。然而在这两种方式中,没有一种能够完全地将电能转换成光能,而且只能将少数部分的电能转换成光能,其余大部分电能(60%一70%)在LED发光、照明的过程中转化成了热能。


尤其是对于大功率的LED器件及照明灯具来说,随着功率的不断增大,LED内部芯片的温度也会逐渐上升,而且LED内部芯片以及其它器件的性能会随着温度上升而下降,甚至失效。最终导致LED器件无法工作。


从根本上讲,结温的上升降低了PN结发光复合的几率。表现在光源上就是发光亮度下降,产生了饱和现象。因此发热问题是LED发展过程中亟待解决的问题。


2.发热问题对LED的影响


在上面发热问题中提到,发热问题不仅会影响到LED器件的寿命,还能够影响到发光亮度。经验证明,LED尤其是大功率LED的寿命主要依赖于芯片的结温,温度越高。可靠性越低,工作寿命越短。


因此不仅需要从LED材料、制作方式、封装结构以及发光原理等方面综合设计LED器件,更重要的是解决目前存在LED器件以及灯具中的散热问题,选择合适的封装结构、合理的散热方式,并应用到LED照明中。


二、LED照明散热技术现状

针对LED器件以及灯具在电能转化为光能方面的局限性,提出了散热技术这一概念。散热旨在解决在LED照明过程中,除去电能转化成的那一部分光能,由电能转化成的热量对LED内部芯片产生的影响(使得芯片性能下降、老化甚至失效)。


1、影响LED散热的主要因素


影响散热的主要因素有材料属性(导热率)、封装结构、封装材料、芯片尺寸、芯片材料、芯片上电流密度等。一般情况下,LED照明器件以及灯具是由芯片、电路基板、外部散热器以及驱动器四部分构成。


因此目前存在两种散热设计方案:一是减少LED 器件由电能转化成热能,实现过程需要通过提高LED内部器件的内量子效率,从而提高LED的出光效率,进而从内部解决LED在照明(使用)过程中产生的散热问题;


二面是从外部设计考虑出发,通过改变LED器件以及灯具的封装材料或者封装方式,以达到减小封装热阻的目的,有时还需要配置合适的散热器来解决高结温问题,进而实现延长LED器件的使用寿命。


2、目前存在的散热方式


由于在技术方面的局限性,目前多采用改变LED照明器件的外部设计或者使用散热器的方法来解决散热问题。LED照明器件的散热方式目前有很多种,可以分为封装级散热方式和灯具级散热方式。


封装级散热方式,顾名思义,它是通过优化LED内部封装结构以及材料来达到减小封装热阻的效果,主要分为封装结构方面的硅基板倒装芯片(FCLED)结构、金属线路板结构等和材料方面的基于基板材料和粘帖材料的择优选取原则。


而灯具级散热方式主要是指热量从封装基板到外部散热器的传递过程中实施散热的方式,主要分为被动散热和主动散热,主动散热是指通过系统以外的能量驱动,将LED 内部芯片以及本身器件的热量散发出去,主要包括加装风扇强制散热、液冷散热、半导体制冷散热、离子风散热和合成射流散热等;


而被动散热是指仅通过散热器本身,将在LED照明过程中产生的热量分散出去,达到降低结温的效果,主要有直接自然对流散热和热管(平板热管、环路热管和翅片式热管)技术散热两种。


3、几种散热方式举例


(1)材料的择优选取原则


在采用这种散热方式的前提就是封装结构已经确定,可以根据已经确定好的封装结构选择最合适的封装材料来提高系统导热性能,进而减少LED照明器件的封装热阻,最终达到系统散热的效果。封装材料可以大致地分为基板材料、粘贴材料和封装材料三种。


就基板材料而言,LED照明器件中涉及到的散热技术要求基板材料具有高电绝缘性、高稳定性、高导热性以及芯片匹配的热膨胀系数。常用的基板材料主要有硅、金属(铝、铜等)、陶瓷(A1N、SiC)和复合材料。


(2)液冷散热


液冷散热方式是一种利用液体在泵的强制带动下流经散热器表面的方式,耗散热量的散热技术。美国厂商Etemaleds曾推出一种“水冷式”LED灯——Etemaleds HydraLux一。它采用液冷散热方式,不仅省去了用于冷却灯泡内部的散热管、散热片及风扇等,而且没有在灯泡的上半部分包覆散热材料,它的光放射角扩大到了360度,如图1-1所示。


由上面的介绍可知,液冷散热方式是一种主动散热方式,然而液冷散热方式在制作过程复杂且难于实现,价格高,不适用于高温、震动等恶劣环境;而且在液冷散热方式在LED照明器件应用中,要求密封高的液体循环致冷装置,如果在生产过程中稍有不当,就会造成LED器件的损毁。


三、LED照明散热技术的进展

随着目前LED照明技术的日渐成熟,以及LED照明应用的普及,现有的散热技术不仅是基于封装结构、材料的,而且还有基于能量传递过程的。就封装材料中的基板材料在近几年中有了新的发展,且最新趋势指向了对于硅基氮化镓(GaN—on—Silicon)的研发。


在与已有的蓝宝石基板相比之下,硅基氮化镓有以下特点:能够减少热膨胀差异系数,能够强化LED发光强度,制造成本低、散热效果显著。因此硅基氮化镓受到了LED生产商的