改善大功率LED散熱的關(guān)鍵問題

1、改善大功率led散熱的關(guān)鍵問題目前，無數(shù)功率型的驅(qū)動達到70 ma、100 ma甚至1 a，這將會引起芯片內(nèi)部熱量聚攏，導(dǎo)致發(fā)光波長漂移、出光效率下降、熒光粉加速老化以及用法壽命縮短等一系列問題。業(yè)內(nèi)已經(jīng)對大功率led的散熱問題作出了無數(shù)的努力：通過對芯片外延結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，用法表面粗化技術(shù)等提高芯片內(nèi)外量子效率，削減無輻射復(fù)合產(chǎn)生的晶格振蕩，從根本上削減散熱組件負荷；通過優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)、材料，挑選以鋁基為主的金屬芯印刷板(mc)，用法陶瓷、復(fù)合金屬基板等辦法，加快熱量從外延層向散熱基板散發(fā)。多數(shù)廠家還建議在高性能要求場合中用法散熱片，依賴強對流散熱等辦法促進大功率led散熱。盡管如此，單個led

2、產(chǎn)品目前也僅處于110 w級的水平，散熱能力仍亟待提高。相當(dāng)多的討論將精力集中于尋覓高熱導(dǎo)率熱沉與封裝材料，然而當(dāng)led功率達到lo w以上時，這種關(guān)注碰到了相當(dāng)大的阻力。即使施加了風(fēng)冷強對流方式，犧牲了成本優(yōu)勢，也未能獲得令人愜意的變幻。研究在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)、led封裝及熱沉材料熱導(dǎo)率等因素變幻對于其最大功率的影響，尋覓影響led散熱的關(guān)鍵因素。討論辦法為有限元熱分析法該辦法已有試驗驗證了led有限元模型與其真切器件之間的差別，證實其在誤差許可范圍內(nèi)是精確可行的。2 建立模型21 有限元熱分析理論三維直角坐標系中的瞬態(tài)溫度場場變量t(x，y，z，t)滿足：式中：t/x，t/y，t/z為沿x，y，z

3、方向的溫度梯度；xx,yy，zz為熱導(dǎo)率；q0為單位體積的熱生成；c是密度與比熱容的乘積：dt/dt為溫度隨時光的變幻率。式中：vx，vy,vz為媒介傳導(dǎo)速率。對于穩(wěn)態(tài)熱分析而言，t/t=0，式(1)可化簡為：按照式(3)、邊界條件與初始條件，利用迭代法或者消去法求解，得出熱分析結(jié)果。22 幾何模型的建立圖1為依據(jù)常見1 w大功率led尺寸建立并簡化、海鷗翼封裝鋁熱沉的大功率led圖形，底座接在mcpcb鋁基板上。主要數(shù)據(jù)：芯片尺寸為1 mm×1 mm×o.25 mm，透鏡為直徑是13 mm的半球。硅襯底為邊長17 mm，高0.25 mm的正六棱柱，mcpcb為直徑20 m

4、m，高1.75 mm的六角星形鋁質(zhì)基板。23 有限元模型的建立模型采納ansysl0.0計算，為便利分析，假設(shè)模型：led輸入功率為1 w，光效率取10；封裝體外部的各組件(包括mcpcb、陶瓷封裝、熱沉的外部)通過與空氣的對流散熱；器件與外界的熱對流系數(shù)為20。工作環(huán)境溫度為25；器件滿足用法ansys軟件舉行穩(wěn)態(tài)有限元熱分析的條件；最大結(jié)溫挑選為125。各種材料的參數(shù)如表1所示。3 分析各種因素對于散熱能力的影響3.1 熱輻射系數(shù)對led散熱的影響圖2為表面黑度為0.8時的溫度云圖。按照斯蒂芬-玻耳茲曼定律，輻照度j*與溫度t之間的關(guān)系：j*=t4。其中為黑體的輻射系數(shù)；=5.67

5、5;10-8w(m2·k4)，稱為斯蒂芬-玻耳茲曼常數(shù)。因此可知，溫度越高，輻照度越大。當(dāng)輸入功率為1 w時，經(jīng)由表面輻射散出的熱能為7.63×104w，僅占總熱功率的1.63；功率達到2 w時，經(jīng)輻射散出的熱能也僅占6.33。因此轉(zhuǎn)變熱輻射系數(shù)對于提高散熱能力充實成效不大，散熱的關(guān)鍵在于提高另外兩種散熱方式：熱傳遞和熱對流。盡管如此，仍有一些廠家將led器件的外表面涂成黑色，以期最大限度地利用輻射散熱。32 熱導(dǎo)率對led的散熱的影響只考慮熱傳導(dǎo)與對流，轉(zhuǎn)變不同封裝填充材料如硅樹脂得出結(jié)果，3所示。即使找到一種熱導(dǎo)率高達7 wm-1k-1的環(huán)氧樹脂成分封裝材料時，相比用法

6、熱導(dǎo)率為0.25 wm-1k-1的環(huán)氧樹脂成分封裝材料時，芯片溫度下降不多，鋁基板溫度只下降了2.271，最大功率僅提高了0.69 w。事實上，熱導(dǎo)率值超過7wm-1k-1以上、可商業(yè)化的透亮硅樹脂封裝材料目前尚無文獻報導(dǎo)。分布云圖4所示。表2給出透鏡熱導(dǎo)率為0.2 wm-1k-1時，不同熱沉材料的導(dǎo)熱系數(shù)對于led最大功率影響。由表2看出，熱沉材料對于led的最大散熱能力的影響很小。綜上所述，熱導(dǎo)率變幻對led最大功率影響微弱。33 增強散熱面積對led散熱的影響表3為3種不同散熱方式對led的溫度分布、最大功率的影響?？梢钥闯觯鰪娚崦娣e是很好的散熱方式，可以輕易地提高led器件散熱能力

7、，這是目前l(fā)ed產(chǎn)品所普遍用法的散熱方式之一。然而缺點也很顯然：影響成本、增強產(chǎn)品分量、影響封裝密度。無限度地提高led散熱片面積明顯不現(xiàn)實，因此普通用法1.5inch2散熱片提升led產(chǎn)品最大功率至10 w左右，出于成本等因素就不能繼續(xù)提高。34 對流方式對led散熱的影響常見對流散熱方式有兩種：自然對流和強制對流。固定結(jié)構(gòu)的散熱與表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)有關(guān)?？绽浞绞綍r，不同傳熱系數(shù)對最大功率的影響5所示。強對流方式在一定速度內(nèi)會大大提高led產(chǎn)品的散熱能力，有助于提高散熱效果。綜上所述，無論是增強散熱面積還是增強對流速度都不能無限制地提高散熱能力，其緣由在于：當(dāng)散熱結(jié)構(gòu)、方式固定后，即使led導(dǎo)熱率有所升高，也無法真正大幅度降低芯片溫度；事實證實增強散熱面積，可以促進散熱。但因為成本限制，且不行能無限制地增強散熱面積，因此，要提升led產(chǎn)品的散熱能力，關(guān)鍵要在最大努力增強散熱面積時，尋覓一種可以迅速將上表面熱量帶走的散熱方式。4 結(jié)語利用ansys軟件對大功率led舉行三維有限元熱分析，并繪制了其受不同因素影響