LED 照明燈原理及散熱解決方案

LED照明燈原理及散熱解決方案Sepember,2014Made:Agul_YaoKS-RD|PTD1|THMLDep.LED照明燈外形發(fā)光二極管簡(jiǎn)稱為LED。由含鎵（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）、硅（Si）等的化合物制成的二極管，當(dāng)電子與空穴復(fù)合時(shí)能輻射出可見光，因而可以用來制成發(fā)光二極管。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時(shí)釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。LED發(fā)光原理LEDPN結(jié)及其基本構(gòu)造LED驅(qū)動(dòng)電路LED驅(qū)動(dòng)需采用恒流驅(qū)動(dòng),電流的波動(dòng),會(huì)對(duì)LED發(fā)熱造成很大的影響.LED散熱的必然性散熱好壞直接關(guān)系LED壽命及光輸出:在大功率LED中，散熱是個(gè)大問題。若不加散熱措施，則大功率LED的器芯溫度會(huì)急速上升，當(dāng)其結(jié)溫（TJ）上升超過最大允許溫度時(shí)（一般是125/150℃），大功率LED會(huì)因過熱而損壞。再者,過高的溫度會(huì)導(dǎo)致LED燈發(fā)光效率衰減.因此在大功率LED燈具設(shè)計(jì)中，最主要的設(shè)計(jì)工作就是散熱設(shè)計(jì)。LED散熱途徑1.從空氣中散熱2.熱能直接由基板導(dǎo)出3.經(jīng)由金線將熱能導(dǎo)出4.若為共晶及Flipchip制程，熱能將經(jīng)由通孔至系統(tǒng)電路板而導(dǎo)出LED熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及熱阻網(wǎng)絡(luò)大功率LED燈散熱選擇為了解決日益嚴(yán)重的熱問題，進(jìn)行大功率LED設(shè)計(jì)時(shí)，需要從提高內(nèi)量子效率、改進(jìn)導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)、合理選擇界面材料和填充材料、選取高導(dǎo)熱基板、進(jìn)行熱阻預(yù)估和測(cè)量和延緩熒光粉熱退化等方面來進(jìn)行熱設(shè)計(jì)。

目前LED路燈的散熱方式主要有：自然對(duì)流散熱、加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱、熱管和回路熱管散熱等。加裝風(fēng)扇強(qiáng)制散熱方式系統(tǒng)復(fù)雜、可靠性低，熱管和回路熱管散熱方式成本高。而路燈具有戶外夜間使用、散熱面位於側(cè)上面以及體型受限制較小等有利於空氣自然對(duì)流散熱的優(yōu)點(diǎn)，所以LED路燈更偏向于選擇自然對(duì)流散熱。良好換熱的要求:1.良好的散熱材料.2.散熱面積大小與散熱成正比.3.整個(gè)散熱通路沒有瓶頸.LED封裝與散熱大功率LED封裝主要涉及光、熱、電、結(jié)構(gòu)與工藝等方面，如圖所示。這些因素彼此既相互獨(dú)立，又相互影響。其中，光是LED封裝的目的，熱是關(guān)鍵，電、結(jié)構(gòu)與工藝是手段，而性能是封裝水平的具體體現(xiàn)。

LED封裝的功能主要包括：

1.機(jī)械保護(hù)，以提高可靠性

2.加強(qiáng)散熱，以降低晶片結(jié)溫，提高LED性能

3.光學(xué)控制，提高出光效率，優(yōu)化光束分布

4.供電管理，包括交流/直流轉(zhuǎn)變，以及電源控制等。封裝材料與散熱LED封裝熱阻主要包括材料(散熱基板和熱沉結(jié)構(gòu))內(nèi)部熱阻和介面熱阻。散熱基板的作用就是吸引晶片產(chǎn)生的熱量，并傳導(dǎo)到熱沉上，實(shí)現(xiàn)與外界的熱交換。在把LED連接到散熱器之前，首先要把它們焊接到電路中去，因?yàn)槭紫纫堰@些LED連接成幾串幾并，同時(shí)還要把他們和恒流源在電路上連接起來。最簡(jiǎn)單的辦法是把它們直接焊接到普通印制板上去。對(duì)于一些很小功率的LED，例如LED指示燈的確是可以這樣做的。但是對(duì)于大多數(shù)高亮度和高功率LED來說，普通玻璃纖維印制板的導(dǎo)熱性能就顯得太差了，而必須改成用銅基板或鋁基板甚至陶瓷覆銅板。封裝材料與散熱2目前大多數(shù)的LED燈具中都采用了鋁基板。鋁基板上電路的銅箔為了要導(dǎo)電和導(dǎo)熱要有足夠的厚度和寬度，其厚度在35μm-280μm之間。其寬度最好盡可能布滿整個(gè)基板，以便把熱傳下去。而下面一層絕緣體則要求其絕緣性能很好，而且還要導(dǎo)熱性能很好。然而這兩個(gè)性能是矛盾的，通常都是導(dǎo)體的導(dǎo)熱性能好，而絕緣體的導(dǎo)熱性能差。又要導(dǎo)熱好又要絕緣好是很難做到的。也是一種科研的課題。1.硅基倒裝芯片(FCLED)結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的LED采用正裝結(jié)構(gòu)，上面通常涂敷一層環(huán)氧樹脂．下面采用藍(lán)寶石作為襯底。由于環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱能力很差。藍(lán)寶石又是熱的不良導(dǎo)體，熱量只能靠芯片下面的引腳散出，因此前后兩方面都造成散熱困難．影響了器件的性能和可靠性。2.倒裝芯片(FC‐LED)結(jié)構(gòu)區(qū)別于傳統(tǒng)LED外延采用的藍(lán)寶石襯底，倒裝后LED芯片通過凸點(diǎn)倒裝連接到硅襯底上，藍(lán)寶石面朝上。其優(yōu)勢(shì)在于熱量不必經(jīng)由芯片的藍(lán)寶石襯底,而是直接傳到熱導(dǎo)率更高的硅或陶瓷襯底，再傳到金屬底座。由于其有源發(fā)熱區(qū)更接近于散熱體,可降低內(nèi)部熱沉熱阻。封裝結(jié)構(gòu)與散熱3.垂直結(jié)構(gòu)垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片的兩個(gè)電極分別在LED外延層的兩側(cè)，電流幾乎全部垂直流過LED外延層，極少橫向流動(dòng)的電流。垂直結(jié)構(gòu)主要采用激光剝離技術(shù)來制作垂直結(jié)構(gòu)LED，激光剝離技術(shù)（LLO）是利用激光能量分解GaN/藍(lán)寶石界面處的GaN緩沖層，從而實(shí)現(xiàn)LED外延片從藍(lán)寶石襯底分離。外延片轉(zhuǎn)移到高熱導(dǎo)率的熱沉上并改善大尺寸芯片中電流擴(kuò)展。目前，除轉(zhuǎn)移到硅襯底外，更高散熱效率的合金材料也正在被研究來做為轉(zhuǎn)移襯底。封裝結(jié)構(gòu)與散熱2不同散熱方式的LED大功率LED散熱基本參數(shù)LED芯片的散熱方式主要是傳導(dǎo)和對(duì)流，按照目前發(fā)光管管芯材料的耐溫水平,通常結(jié)溫不能大于125℃(K2系列產(chǎn)品的結(jié)溫已達(dá)到150℃)。結(jié)溫的表達(dá)式為：

熱阻Rja散熱器設(shè)計(jì)對(duì)于對(duì)流散熱來說，其基本公式如下：Q=h?A?△T散熱器采用鰭片的形狀是為了加大散熱面積。以利于輻射散熱和對(duì)流散熱。散熱器的最重要指標(biāo)就是它的散熱面積A，但是散熱器的不同部位的散熱效果是不同的。在根部的散熱效果就差，而在頂部的散熱效果就好。所以散熱器有一個(gè)有效散熱面積。它通常是實(shí)際面積的70%左右。從經(jīng)驗(yàn)得出，一般要散1W功率的熱量大約需要50-60平方厘米的有效散熱器面積。為了加大散熱面積，通常會(huì)采用增加高度的方法。散熱器設(shè)計(jì)2從圖中可以看出，在一定高度范圍內(nèi)，結(jié)溫值隨高度增加而降低，但高度增加到一定程度以后其作用會(huì)越來越小。而且高度增加到一定程度后，結(jié)溫不但不再降低，反而會(huì)升高。這是因?yàn)榭諝庠谘亻L度方向的流動(dòng)受到阻礙所致（主要對(duì)于垂直放置的鰭片為如此）。所以對(duì)于散熱器來說，除了加大面積以外，如何加速空氣的對(duì)流是很重要的事，尤其是像LED路燈這類安裝在室外的路燈更為重要。由于室外的風(fēng)向是不定的，為了在各種風(fēng)向情況下都能有很好的對(duì)流，最好采用針狀鰭片散熱器。但這也減小了其等效散熱面積很大的百分比。珠海南科首次把針狀散熱器應(yīng)用至LED路燈中，據(jù)說這可以使LED的結(jié)溫降低15度以上，提高了LED的壽命。路燈散熱器往往由于灰塵和鳥糞的積累而使其散熱效果大為降低，所以通常采用朝下安裝的方法來避免，但是這樣做又會(huì)使空氣對(duì)流的效果降低，因?yàn)闊峥諝馐窍蛏狭鲃?dòng)的。通常要在安裝時(shí)有一個(gè)傾斜角來改善。散熱器設(shè)計(jì)3目前幾乎絕大多數(shù)的LED燈具都是采用自然空氣對(duì)流來散熱的。然而，對(duì)流的散熱效果是和空氣的流速是有密切關(guān)系的。利用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱可以有效地解決散熱問題，同時(shí)提高LED燈具功率。目前最大功率的LED燈具要算是LED路燈了。LED路燈和電腦最大的差別就是它是安裝在室外的十分惡劣的環(huán)境條件下的。如果采用風(fēng)扇，那么這種風(fēng)扇也必須能夠承受十分惡劣的環(huán)境條件。例如必須能夠防水、防潮、防塵，能夠承受高低溫的考驗(yàn)，等等…。而且它本身不能消耗很大的功率。據(jù)說Sunon推出過號(hào)稱全球最小、最薄、耗電量最低的“毫米科技風(fēng)扇與鼓風(fēng)扇MightyMiniFan&Blower。并用于各種功率的LED燈具。例如，應(yīng)用于LED球泡燈，就可以突破9W的瓶頸限制而達(dá)到15W的水平。同時(shí)展示全新“One-module”概念所設(shè)計(jì)的LED散熱模塊，將LED燈具散熱模塊化，一款散熱模塊可應(yīng)用于多款LED燈具，簡(jiǎn)化客戶端的設(shè)計(jì)流程，預(yù)計(jì)推出可散熱7-15W、10-25W、25-40W幾種功率水平。可應(yīng)用于LED球燈、筒燈、MR16投射燈、LED軌道燈等各式LED應(yīng)用產(chǎn)品的散熱。散熱器設(shè)計(jì)4散熱設(shè)計(jì)中可能存在的問題1.散熱鰭片面積隨意設(shè)定。2.散熱鰭片布置方式不合理，燈具散熱鰭片的布置沒有考慮到燈具的使用方式，影響到鰭片效果的發(fā)揮。3.強(qiáng)調(diào)熱傳導(dǎo)環(huán)節(jié)、忽視對(duì)流散熱環(huán)節(jié)，盡管眾多的廠家考慮了各種各樣的措施：熱管、加導(dǎo)熱硅脂等，卻沒有認(rèn)識(shí)到熱量最終還是要依靠燈具的外表面積散走。4.忽視傳熱的均衡性，如果鰭片的溫度分布嚴(yán)重不均勻，將會(huì)導(dǎo)致其中一部分的鰭片（溫度較低的部分）沒有發(fā)揮作用或作用很有限。

2009年6月11日，夏普公司宣布將以實(shí)際售價(jià)不到4000日元的低價(jià)格為賣點(diǎn)進(jìn)軍LED燈泡市場(chǎng)。這一價(jià)格的設(shè)定約為當(dāng)時(shí)LED燈泡市售價(jià)格的一半。在2009年3月開始銷售LED燈泡的東芝照明迅速做出反應(yīng)，于夏普產(chǎn)品發(fā)布的11天之后，發(fā)布了與夏普同在7月15日上市的新型低價(jià)LED燈泡產(chǎn)品。以下以這兩款為例分析LED燈散熱結(jié)構(gòu)LED散熱實(shí)例從外部來看，LED燈泡的特征可以說是提高了散熱性的結(jié)果。從側(cè)面看LED燈泡，整體下側(cè)的一半以上為散熱器。東芝照明、夏普都采用了鋁合金鑄件制造的散熱器。比較二者的散熱器，除顏色外，形狀差異也非常明顯。在高度方面雖然夏普產(chǎn)品稍微多些，但散熱器溝道面積則是東芝照明的較大。東芝照明產(chǎn)品的溝道深度從下到上逐漸遞增，而夏普的則是上下基本等高。散熱器的表面積越大，散熱性能越高。在外形尺寸有限的情況下，加大溝道深度是增加表面積的方法之一，但隨著溝道深度的增加，電源電路底板、樹脂殼等的內(nèi)部安裝空間會(huì)隨之減少.東芝照明的散熱器內(nèi)部空間為圓柱形，夏普產(chǎn)品則為接近外形的圓錐形。樹脂殼在保持絕緣性的同時(shí)，把電源電路底板安裝在燈泡殼體上。LED散熱實(shí)例分析LED燈泡的主要結(jié)構(gòu)：東芝照明LED燈泡散熱器（外殼）的圓筒側(cè)面有16片直角三角形溝道，上覆圓板。上面直接固定LED基片。電源電路底板固定在杯狀樹脂殼中，從散熱器下方插入。另一方面，夏普LED燈泡的散熱器呈有錐度的圓筒形狀，表面安裝有60片高度不到幾mm的葉片。LED基片固定在散熱器上方覆蓋的圓板狀金屬板上。電源電路底板固定在散熱器上方插入的圓錐形（但側(cè)面大部分鏤空）樹脂殼A中。LED散熱實(shí)例分析2夏普照明的產(chǎn)品，7.5W（日光色、總光通量560lm）額定功耗產(chǎn)品的LED基片上配備了6個(gè)LED封裝。電源電路底板之間的布線采用焊接方式連接。LED基片通過3顆螺絲固定在金屬板上。固定LED基片的不是鋁合金鑄件制造的散熱器，而是另外的金屬板。用這種金屬板固定LED基片，兩者的貼合性能有可能不夠充分，所以需要使用導(dǎo)熱硅脂。電源電路底板之間的布線采用焊接方式連接。LED散熱實(shí)例分析3東芝