偶看新闻单层场景蛋糕图片:LED散热解决方案
来源：百度文库 编辑：偶看新闻 时间：2024/04/27 14:22:26
LED照明系列化产品,很多老板为了省钱，大多采用铝基板来固定LED和散热绝缘，这也是很多产品除了电源出故障外，还有大部分是LED芯片衰老得太快造成不良，芯片衰退主要还是的基板散热不良造成热设计不理想，铝基板的导热系数2-3W/M.K不等，热阻:0.8以上，现市场真正做好散热这块产品用高导热陶瓷基板来解决散热和绝缘问题。陶瓷基板的导热系数:25W/M.K，热阻:小于0.3，绝缘耐压:12KV以上，采用此设计方案现为中高档产品有效保证品质重要一关。
导热系数 简介
导热系数是指传递热量的物质厚度为1米（m）、面积为1平方米，两壁面的温差为1℃时，每小时（h）通过的传热量，单位是"瓦/（米。时。摄氏度）。导热传热热流密度的大小，与物质的导热系数、热流量流经物质的厚度和物质高温侧与低温侧间的温度差有关。导热系数大、厚度小、温差大，则热流密度大。
物质不同，导热系数也不同。钢的导热系数是200X10的3次方-260X10的3次方瓦/（米?时，摄氏度）；锅炉水垢（钙质）的导热系数是2X10的3次方-9X10的3次方瓦/（米?时?摄氏度）；石棉的导热系数是0.5-0.73X10的3次方瓦/（米?时，摄氏度）；珍珠岩的导热系数是0.15X 10的3次~0.29X 10的3次方瓦/（米?时。摄氏度）；润滑油的导热系数是0.37X10）瓦/（米?时?摄氏度）。
导热系数高的物质有优良的导热性能。在热流密度和厚度相同时，物质高温侧壁面与低温侧壁面间的温度差，随导热系数增大而减小。锅炉炉管在未结水垢时，由于钢的导热系数高，钢管的内外壁温差不大。而钢管内壁温度又与管中水温接近，因此，管壁温度（内外壁温度平均值）不会很高。但当炉管内壁结水垢时，由于水垢的导热系数很小，水垢内外侧温差随水垢厚度增大而迅速增大，从而把管壁金属温度迅速抬高。当水垢厚度达到相当大（一般为1~3毫米）后，会使炉管管壁温度超过允许值，造成炉管过热损坏。
对锅炉炉墙及管道的保温材料来讲，则要求导热系数越低越好。一般常把导热系数小于0.8x10的3次方瓦/（米时?摄氏度）的材料称为保温材料。例如石棉、珍珠岩等。
浅谈LED的热量产生原因
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。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P-N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。
LED 在正向电压下，电子从电源获得能量，在电场的驱动下，克服PN 结的电场，由N 区跃迁到P 区，这些电子与P 区的空穴发生复合。由于漂移到P 区的自由电子具有高于P 区价电子的能量，复合时电子回到低能量态，多餘的能量以光子的形式放出。发出光子的波长与能量差 Eg 相关。可见，发光区主要在PN 结附近，发光是由于电子与空穴复合释放能量的结果。一隻半导体二极体，电子在进入半导体区到离开半导体区的全部路程中，都会遇到电阻。简单地从原理上看，半导体二极体的物理结构简单地从原理上看，半导体二极体的物理结构源负极发出的电子和回到正极的电子数是相等的。普通的二极体，在发生电子－空穴对的复合是，由于能级差Eg的因素，释放的光子光谱不在可见光范围内。
电子在二极体内部的路途中，都会因电阻的存在而消耗功率。所消耗的功率符合电子学的基本定律：
P ＝I2 R ＝I2（RN ＋＋RP ）＋IVTH
式中：RN 是N 区体电阻
VTH 是PN 结的开啟电压
RP 是P 区体电阻
消耗的功率产生的热量为：
Q ＝ Pt
式中：t 为二极体通电的时间。
本质上，LED 依然是一只半导体二极体。因此，LED 在正向工作时，它的工作过程符合上面的敍述。它所它所消耗的电功率为：
P LED = U LED × I LED
式中：U LED 是LED 光源两端的正向电压
I LED 是流过LED 的电流
这些消耗的电功率转化为热量放出：
Q＝P LED × t
式中：t 为通电时间
实际上，电子在P 区与空穴复合时释放的能量，并不是由外电源直接提供的，而是由于该电子在N 区时，在没有外电场时，它的能级就比P 区的价电子能级高出Eg。当它到达P 区后，与空穴复合而成为P 区的价电子时，它就会释放出这么多的能量。Eg 的大小是由材料本身决定的，与外电场无关。外电源对电子的作用只是推动它做定向移动，并克服PN 结的作用。
LED 的产热量与光效无关；不存在百分之几的电功率产生光，其余百分之几的电功率产生热的关係。透过对大功率LED热的产生、热阻、结温概念的理解和理论公式的推导及热阻测量，我们可以研究大功率LED的实际封装设计、评估和产品应用。需要说明的是热量管理是在LED产品的发光效率不高的现阶段的关键问题，从根本上提高发光效率以减少热能的产生才是釜底抽薪之举，这需要芯片制造、LED封装及应用产品开发各环节技术的进步。
大功率LED照明光源需要解决的散热问题涉及以下几个环节：
1、晶片PN结到外延层；
2、外延层到封装基板；
3、封装基板到外部冷却装置再到空气。
为了取得好的导热效果，三个导热环节应采用热导系数高的材料，并尽量提高对流散热。LED发出的热量通过导热硅脂传递给散热板，再通过铝散热器将绝大部分热量通过辐射和对流的方式带走到周围的空气中，将热量排除，这样就形成了从LED，然后通过导热硅脂和铝基板，到周围空气的散热通路。材料热传导性能的一个很重要的指标是热阻，热阻是指热量传递通道上两个参点之间的温度差与两点间热量传递速率的比值：Rth=△T/qx （1）
其中：Rth=两点间的热阻（℃/W或K/W），△T=两点间的温度差（℃），qx=两点间热量传递速率（W）。在热传导模型的热阻计算由下式给出：
Rth=L/λS （2）
其中：L为热传导距离（m），S为热传导通道的截面积（㎡），λ为热传导系数（W/mK）
热传导系数（W/mK）：是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度（K，℃），在1小时内通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米·度（W/m·K，此处为K可用℃代替）。
从公式（2）可知，越短的热传导距离、越大的截面积和越高的热传导系数对热阻的降低越有利，这就要求设计合理的封装结构和选择合适的材料。
散热器是led灯具很关键的一个部件,它的形状、体积、散热表面积都要设计得洽到好处,散热器太小,led灯工作温度太高,影响发光效率和寿命,散热器太大,则消耗材料多增加产品成本和重量,使产品竟争力下降.设计合适的led灯散热器至关重要.散热器的设计有以下几个部分: 1.明确LED灯需要散热的功率. 2.设计散热器用的一些参数:金属的比热,金属的导热系数,芯片热阻、散热器热阻、周围环境空气热阻等. 3.确定采用散热的类型,(自然对流散热、强风冷却、热管散热,以及其它的散热散热方式.)从造价比较:自然对流散热造价最低,强风冷却中等,热管散热造价较高,喷气致冷造价最高. 4.确定LED灯具许可的最高工作温度(环境温度加灯具许可温升), 5.计算散热器的体积、散热面积.并确定散热器的形状. 6.将散热器与LED灯组合成完整灯具,并通电工作八小时以上,在室温39℃--40℃的环境下检查灯具的温度,看是否满足散热要求,以检验计算是否正确,如不满足使用条件,则要重新计算和调整参数. 7.散热器与灯罩的密封要做到防水、防尘,灯罩与散热器之间要垫抗老化的橡皮垫或硅橡胶垫,用不锈钢螺栓紧固,做到密封防水、防尘。
解决LED灯散热问题
1）散热性
目前，很多双面板、多层板密度高、功率大，热量散发难。常规的印制板基材如FR4、CEM3都是热的不良导体，层间绝缘，热量散发不出去。电子设备局部发热不排除，导致电子元器件高温失效，而金属基印制板可解决这一散热难题。
（2）热膨胀性
热胀冷缩是物质的共同本性，不同物质CTE(Coefficient of thermal expansion)即热膨胀系数是不同的。
印制板是树脂+增强材料（如玻纤）+铜箔的复合物。在板面X-Y轴方向，印制板的热膨胀系数（CTE）为13~18 PPM/℃，在板厚Z轴方向为80~90PPM/℃，而铜的CTE为16.8PPM/℃。片状陶瓷芯片载体的CTE为6PPM/℃，印制板的金属化孔壁和相连的绝缘壁在Z轴的CTE相差很大，产生的热不能及时排除，热胀冷缩使金属化孔开裂、断开，这样机器设备就不可靠了。
SMT（表面贴装技术）使这一问题更为突出，成为非解决不可的问题。因为表面贴装的互连是通过表面焊点的直接连接来实现的，陶瓷芯片载体CTE为6，而FR4基材在X-Y向CTE为13~18，因此，贴装连接焊点由于CTE不同，长时间经受应力会导致疲劳断裂。
金属基印制板可有效地解决散热问题，从而使印制板上的元器件不同物质的热胀冷缩问题缓解，提高了整机和电子设备的耐用性和可靠性。
（3）尺寸稳定性
金属基印制板，显然尺寸要比绝缘材料的印制板稳定得多。铝基印制板、铝夹芯板，从30℃加热至140~150℃，尺寸变化为2.5～3.0%.
利用金属基电路板。由于具有优异的导热能力、良好的机械加工性能及强度、良好的电磁屏蔽性能、 良好的磁力性能。产品设计上遵循半导体导热机理，因此不仅导热金属电路板(金属PCB)：铝基板、铜基板具有良好的导热、散热性。且绿色又环保，既解决热的问题又解决污染环境的问题。
为了更好的解决散热问题，LED和有些大功率IC需要用到铝基线路板。 铝基板pcb由电路层(铜箔层)、导热绝缘层和金属基层组成。电路层要求具有很大的载流能力，从而应使用较厚的铜箔，厚度一般35μm~280μm;导热绝缘层是PCB铝基板核心技术之所在，它一般是由特种陶瓷填充的特殊的聚合物构成，热阻小，粘弹性能优良，具有抗热老化的能力，能够承受机械及热应力。IMS-H01、IMS-H02和LED-0601等高性能PCB铝基板的导热绝缘层正是使用了此种技术，使其具有极为优良的导热性能和高强度的电气绝缘性能;金属基层是铝基板的支撑构件，要求具有高导热性，一般是铝板，也可使用铜板(其中铜板能够提供更好的导热性)，适合于钻孔、冲剪及切割等常规机械加工。工艺要求有：镀金、喷锡、osp抗氧化、沉金、无铅ROHS制程等。 基材:铝基板产品特点：绝缘层薄，热阻小;无磁性 ;散热好;机械强度高产品标准厚度：0.8、1.0、1.2、1.5、2.0、2.5、3.0mm 铜箔厚度：1.8um 35um 70um 105um 140um 特点: 具有高散热性、电磁屏蔽性，机械强度高，加工性能优良。 用途: LED专用 功率混合IC(HIC)。 铝基板是承载LED及器件热传导，散热主要还是靠面积，集中导热可以选择高导热系数的板材，比如美国贝格斯板材;慢导热或散热国产一般材料即可。价格相差较大，贝格斯板材生产出成品大概需要4000多元平米，一般国产材料就1000多元平米。LED一般使用电压不是很高，选择1mil厚度绝缘层耐压大于2000V即可。 散热参考设计方法： 为什么要进行热设计? 高温对电子产品的影响:绝缘性能退化;元器件损坏;材料的热老化;低熔点焊缝开裂、焊点脱落。 温度对元器件的影响:一般而言,温度升高电阻阻值降低;高温会降低电容器的使用寿命;高温会使变压器、扼流圈绝缘材料的性能下降, 一般变压器、扼流圈的允许温度要低于95C;温度过高还会造成焊点合金结构的变化—IMC增厚,焊点变脆,机械强度降低;结温的升高会使晶体管的电流放大倍数迅速增加,导致集电极电流增加,又使结温进一步升高,最终导致组件失效。 热设计的目的 控制产品内部所有电子元器件的温度,使其在所处的 工作环境条件下不超过标准及规范所规定的最高温度。最高允许温度的计算应以元器件的应力分析为基础,并且与产品的可靠性要求以及分配给每一个元器件的失效率相一致。 LED散热设计一般按流体动力学软件仿真和做基础设计。 流体流动的阻力:由于流体的粘性和固体边界的影响，使流体在流动过程中受到阻力，这个阻力称为流动阻力，可分为沿程阻力和局部阻力两种。 沿程阻力:在边界沿程不变的区域，流体沿全部流程的摩檫阻力。 局部阻力:在边界急剧变化的区域,如断面突然扩大或突然缩小、弯头等局部位置，是流体的流体状态发生急剧变化而产生的流动阻力。 通常LED是采用散热器自然散热，散热器的设计分为三步 1:根据相关约束条件设计处轮廓图。 2:根据散热器的相关设计准则对散热器齿厚、齿的形状、齿间距、基板厚度进行优化。 3:进行校核计算。 散热器的设计方法 自然冷却散热器的设计方法 考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果齿间距太小，两个齿的热边界层易交叉,影响齿表面的对流，所以一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于12mm,如果散热器齿高低于10mm，可按齿间距≥1.2倍齿高来确定散热器的齿间距。 自然冷却散热器表面的换热能力较弱，在散热齿表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响，所以建议散热齿表面不加波纹齿。 自然对流的散热器表面一般采用发黑处理，以增大散热表面的辐射系数，强化辐射换热。 由于自然对流达到热平衡的时间较长，所以自然对流散热器的基板及齿厚应足够，以抗击瞬时热负荷的冲击，建议大于5mm以上。
今天，白光LED仍旧存在着发光均匀性不佳、封闭材料的寿命不长等问题，无法发挥白光LED被期待的应用优点。但就需求层面来看，不仅一般的照明用途，随着手机、LCD TV、汽车、医疗等的广泛应用，使得最合适开发稳定白光LED的技术研究成果就广泛的被关注。
改善白光LED的发光效率，目前有两大方向，一是提高LED芯片的面积，藉此增加发光量。二是把几个小型芯片一起封装在同一个模块下。藉由提高芯片面积来增加发光量。
【文章出自电子元件技术网】