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解決LED散熱的問題的一點思路

發布日期:2013-07-29 05:54:01

 被稱為第四代光源或綠色光源,具有節能、環保、壽命長、體積小等特點,可以廣泛應用于各種指示、顯示、裝飾、、普通照明和城市夜景等領域。近年來,世界上一些經濟發達國家圍繞LED的研制展開了激烈的技術競賽。其中一直是一個亟待解決的問題!有研究數據表明,假如結溫為25度時的發光為100%,那么結溫上升至60度時,其發光量就只有90%;結溫為100度時就下降到80%;140度就只有70%。可見改善散熱,控制結溫是十分重要的事。 除此以外LED的發熱還會使得其光譜移動;色溫升高;正向電流增大(恒壓供電時);反向電流也增大;熱應力增高;環氧樹脂老化加速等等種種問題,所以說,LED的散熱是的設計中最為重要的一個問題。

  LED芯片結溫是怎么產生的

  LED發熱的原因是因為所加入的電能并沒有全部轉化為光能,而是一部分轉化成為熱能。LED的光效目前只有100lm/W,其電光轉換效率大約只有20~30%左右。也就是說大約70%的電能都變成了熱能。

  具體來說,LED結溫的產生是由于兩個因素所引起的。

亚洲城娱乐  1.內部量子效率不高,也就是在電子和空穴復合時,并不能100%都產生光子,通常稱為由“電流泄漏”而使PN區載流子的復合率降低。泄漏電流乘以電壓就是這部分的功率,也就是轉化為熱能,但這部分不占主要成分,因為現在內部光子效率已經接近90%。

  2.內部產生的光子無法全部射出到芯片外部而最后轉化為熱量,這部分是主要的,因為目前這種稱為外部量子效率只有30%左右,大部分都轉化為熱量了。雖然白熾燈的光效很低,只有15lm/W左右,但是它幾乎將所有的電能都轉化為光能而輻射出去,因為大部分的輻射能是紅外線,所以光效很低,但是卻免除了散熱的問題。 LED的散熱現在越來越為人們所重視,這是因為LED的光衰或其壽命是直接和其結溫有關,散熱不好結溫就高,壽命就短。

  白光應用及LED芯片散熱解決方法

  當今LED白光產品被逐漸運用于各大領域投入使用,人們在感受其大功率LED白光帶來的驚人快感同時也在擔心其存在的種種實際問題! 首先從大功率LED白光本身性質來說。大功率LED仍舊存在著發光均一性不佳、封閉材料的壽命不長尤其是其LED芯片散熱問題很難得到很好的解決,而無法發揮被期待的應用優點。 其次從大功率LED白光市場價格來說。當今大功率LED還是一種貴族式的白光產品,因為大功率產品的價格還是過高,而且技術上還是有待完善,所以說大功率白光不是誰想用就能夠用的。 下面來分解下大功率LED散熱的相關問題。

亚洲城娱乐  近些年在業界專家的努力下對大功率LED芯片散熱問題提出了一下幾點改善方案:

  Ⅰ、 亚洲城娱乐通過提高LED晶片面積來增加發光量。

  Ⅱ、采用封裝數個小面積LED晶片。

  Ⅲ、改變材料和螢光材料。

那么是不是通過以上三種方法就可以完全改進大功率LED白光產品的散熱問題了呢?實則斐然!首先我們雖然將LED芯片的面積增大,以此獲得更多的光通量(光單位時間內通過單位面積的光束數即為光通量,單位ml)希望能夠達到我們想要的白光效果,但因其實際面積過大,而導致在應用過程與結構上出現了一些適得其反的現象。 那么是不是大功率LED白光散熱問題就真的無法解決了呢?當然不是無法解決了。針對單純增大晶片面積而出現的負面問題,LED白光業者們就根據電極構造的改良及覆晶的構造并利用封裝數個小面積LED晶片等方式從大功率LED晶片表面進行改良從而來達到60lm/W的高光通量低高散熱的發光效率。

  其實還有一種方法可以有效改進大功率LED芯片散熱問題。那就是將其白光封裝材料用硅樹脂取代以往的塑料或者有機玻璃。更換封裝材料不僅能夠解決LED芯片散熱問題更能夠提高白光LED壽命,真是一箭雙雕啊。我想說的是幾乎所有像大功率LED白光這樣的高功率白光LED產品都應該采用硅樹脂作為封裝的材料。為什么現在大功率LED中必須采用硅膠作為封裝材料?因為硅膠對同樣波長光線的吸收率不到1%。但是環氧樹脂對400-459nm的光線吸收率高達45%,很容易由于長期吸收這種短波長光線以后產生的老化而使光衰嚴重。

  當然在實際的生產生活中還會出現很多像大功率 LED白光芯片散熱這樣的問題,因為人們對大功率LED白光越廣泛的應用就會出現越深入難解的種種問題!LED芯片的特點是在極小的體積內產生極高的熱量。而LED本身的熱容量很小,所以必須以最快的速度把這些熱量傳導出去,否則就會產生很高的結溫。為了盡可能地把熱量引出到芯片外面,人們在LED的芯片結構上進行了很多改進。為了改善LED芯片本身的散熱,其最主要的改進就是采用導熱更好的襯底材料。像Cree公司的LED的熱阻因為采用了碳化硅作基底,要比其他公司的熱阻至少低一倍。即使能夠解決從晶片到封裝材料間的抗熱性,但因從封裝到PCB板的散熱效果不好的話,同樣也是造成LED晶片溫度的上升,出現發光效率下降的現象。所以,就像是松下就為了解決這樣的問題,從2005年開始,便把包括圓形,線形,面型的白光LED,與PCB設計成一體,來克服可能因為出現在從封裝到PCB板間散熱中斷的問題。因此,在面對不斷提高電流情況的同時,如何增加抗熱能力,也是現階段的急待被克服的問題,從各方面來看,除了材料本身的問題外,還包括從晶片到封裝材料間的抗熱性、導熱結構、封裝材料到PCB板間的抗熱性、導熱結構,及PCB板的散熱結構等,這些都需要作整體性的考量。‖

  散熱的問題解答

  對目前常見的白熾燈泡或是熒光燈來說,即便產品本身運行可能產生熱能,但組件的高熱仍可以被有效隔離,使光源與電源接座不會因熱而產生意外的問題。但固態照明就不同,一來LED組件集中單點的運行高溫,必須采取更多積極手段進行散熱處理,同時搭配主動有效的熱處理機制,才能避免燈具發生問題。LED固態光源熱處理問題較傳統燈具復雜得多。傳統光源或燈具多有運行過程產生高熱的問題,例如鹵素燈泡或白熾燈泡,若是白熾燈形式,即在特殊處理的燈球內加熱鎢絲產生光亮。實際上,高溫產生在燈絲上而非燈座,即便燈座會因燈球玻璃或是金屬受鎢絲發光的輻射熱、熱傳導間接產生高溫,但產生的溫度都在可接受的安全范圍,再加上非直接接觸傳導,安全性也相對較高。但換成LED固態光源形式的燈具,其熱處理便可能成為新的應用安全問題。多數人會認為LED具高能源轉換效率、低驅動能源優勢,自然使用安全性較高,但實際上LED固態光源為了達到日常照明的應用目的,必須透過加大單組組件的功率去強化單元件的輸出流明,例如燈具廠會采取多LED組件整合形式加強輸出效果,且多組件同時運行也能改善LED固態光源光型偏向的問題,讓LED固態光源技術的燈具可產生如燈泡般的面光源效果。如果要強化單元件的輸出流明,必須更高的電流,以使LED芯片的PN接面產生更多流明,但更高電流也會讓單點LED組件的溫度升高、更難處理,甚至為了提高燈具的光型表現、發光效率而采取多組件并用形式,也會使具的高溫問題加劇,讓散熱問題更難處理。綜觀目前LED燈具市場的發展趨勢,多數的廠商大多會先以市場為主導,因為高單價、高利潤,也可以借由技術差異迅速打入發展技術較前衛的LED光源市場,例如,針對室內裝潢、情境燈具應用的嵌燈、壁燈、吸頂燈就成為LED光源燈具較常見的設計形式,其替換傳統燈具后的省電效益亦最受相關業者關注。

亚洲城娱乐  LED光源燈具必須重點處理的熱管理設計,在可能于密閉或半密死循使用的嵌燈、壁燈、吸頂燈產品,形成更嚴苛的挑戰,燈具開發商必須從材料、產品構型、主/被動散熱機制、驅動芯片設計等方面投入更多資源,以避免產品的問題肇生。特別是LED嵌入式燈具體積小,且常采多組件整合,模塊的散熱設計難度較高。嵌入式燈具外殼采鋁擠型或散熱片設計,可發揮自體散熱作用。但這還遠遠不夠。

  LED熱管理:NTC持續運行溫度維持LED燈使用安全

  若LED燈具沒有搭配足夠的熱管理設計,在使用過程中可能會導致燈具因為經常性高熱運行造成壽命銳減,產生必須頻繁更換故障LED燈具的困擾,嚴重者甚至可能釀成意外,因運行高溫造成線或是周邊裝潢著火燃燒!在產品開發階段,可運用智能型LED燈光控制技術,透過主動式的監看LED燈具與整體光源模塊的溫度表現,簡化裝置的熱管理工作,同時當燈具與周遭溫度上升至區段時,燈具必須降低電功率、減少LED亮度輸出,以此提升LED固態光源燈具的使用安全性。像LED吸頂燈外殼考慮較簡單的設計形式,若燈具本身所使用的驅動器功能較聚焦于電源轉換與LED組件驅動,并未內嵌溫控微處理器與散熱處理模塊,為避免增加產品原料件的成本,LED燈具可整合 NTC(NegativeTemperatureCoeffient)負溫度系數ThermistorSensors電,是成本效益相對較高的安全設計方案。所謂NTC電,其設置目的是藉由透過電子回去監看LED的模塊燈具溫度,透過默認溫度警示或是對應自動處理驅動狀況,采關閉LED固態光源模塊方式,來提升LED燈具的使用安全,同時NTC電也能降低設計的復雜度。由于NTC電的溫度系數非常大,因此可以偵測得知微小的溫度變化表現,被廣泛應用于需量測、控制與補償溫度的相關電設計中,而NTC電在LED光源模塊設計中,基本上為量測LED固態光源燈具的產品周邊溫度變化,至于量測狀況會隨著NTC改變的電壓現況,直接測得電壓和NTC電的溫度對應關系。

亚洲城娱乐  當NTC和周邊電或整個模塊溫度提升時,NTC電的電阻隨即降低,產品可依此相依關系進行相關安全控制機制反饋,例如減少LED發光組件的驅動電流或是直接強制關閉燈具照明,在燈具溫度問題改善后自動回復照明狀態,藉此獲得燈具使用的安全性。

  監控LED燈具溫度亦可導入微控制器 采SMD形式制作的NTCTHERMISTOR 組件

  前述NTC電的改善形式,若想達到更佳的設計,搭配MCU進行更精密的安全設計也是一種相對務實的作法,在開發項目中,可將LED光源模塊的狀態區分為燈光是否正常、燈光是否被關閉,搭配溫度警示與溫度量測的程序邏輯判斷,建構更為完善的智慧燈具管理機制。

  例如,若出現燈具溫度警示,經溫度量測得知模塊溫度仍在可接受范圍,可維持正常途徑,透過散熱片自然散逸運行溫度;而當警示告知所測得溫度已達需執行主動散熱機制的基準,此時MCU必須控制散熱風扇作動,甚至當溫度達到值,系統必須透過MCU直接關閉驅動器供應電源,LED組件暫時停止運行,自然進行散熱處理。判斷燈具是否使用或關閉,可用簡單的判斷位來做變化與了解產品目前使用狀態,比較關鍵的是溫度量測部分,所量測的溫度必須實時與系統的參照表進行比對,以確認目前模塊狀態的正常或異常程度,計算出溫度間距后,自動對應進行溫控管理。同樣的,當溫度進入區段時,控制機制應隨即關閉燈源,同時在系統關閉后60秒或180秒后再次進行溫度確認,待LED固態光源模塊溫度達正常值,再重新驅動LED光源,繼續提供照明。

  總之:大眾一直關注燈具的使用壽命。若僅僅依靠使用低熱阻的 LED 元件是不能為燈具裝置構建良好的散熱系統,而必須有效地減小從 PN 節點到周圍環境的熱阻,才能大大降低 LED 的 PN 節點溫度,而成功實踐延長 LED 燈具的使用壽命并提高實際光通量的目標。另外;有別于一般傳統燈具,印刷電路板既是 LED 的供電載體,也是 LED 的散熱載體,所以散熱片和印刷電路板的散熱設計十分重要。除此之外,燈具制造商還須考慮散熱材料的質量、厚度和尺寸以及散熱界面的處理和連接等因素。

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