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大功率LED的散熱設(shè)計(jì)方案近年來(lái),大功率LED發(fā)展較快,在結(jié)構(gòu)和性能上都有較大的改進(jìn),產(chǎn)量上升、價(jià)格下降;還開(kāi)發(fā)出單顆功率為100W的超大功率白光LED。與前幾年相比較,在發(fā)光效率上有長(zhǎng)足的進(jìn)步。例如,Edison公司前幾年的20W白光LED,其光通量為700lm,發(fā)光效率為35lm/W。2007年開(kāi)發(fā)的100W白光LED,其光通量為6000lm,發(fā)光效率為60lm/W。又例如,Lumiled公司最近開(kāi)發(fā)的K2白光LED,與其Ⅰ、Ⅲ系列同類(lèi)產(chǎn)品比較如表1所示。從表中可以看出:K2白光LED在光通量、最大結(jié)溫、熱阻及外廓尺寸上都有較大的改進(jìn)。Cree公司新推出的XLampXR~E冷白光LED,其最高亮度擋QS在350mA時(shí)光通量可達(dá)107~114lm。這些性能良好的大功率LED給開(kāi)發(fā)LED白光照明燈具創(chuàng)造了條件。前幾年,各種白光LED照明燈具主要是采用小功率Φ5白光LED來(lái)做的。如1~5W的燈泡、15~20W的管燈及40~60W的路燈、投射燈等。這些燈具使用了幾十到幾百個(gè)Φ5白光LED,生產(chǎn)工藝復(fù)雜、可靠性差、故障率高、外殼尺寸大,并且亮度不足。為改進(jìn)上述缺點(diǎn),這幾年逐步采用大功率白光LED來(lái)替代Φ5白光LED來(lái)設(shè)計(jì)新型燈具。例如,用18個(gè)2W的白光LED做成的街燈,若采用Φ5白光LED則要幾百個(gè)。另外,用一個(gè)1.25W的K2系列白光LED,可做成光通量為65lm的強(qiáng)光手電筒,照射距離可達(dá)幾十米。若采用Φ5白光LED來(lái)做則是不可能的。圖1
結(jié)溫TJ與相對(duì)出光率關(guān)系圖用大功率LED做的燈具其價(jià)格比白熾燈、日光燈、節(jié)能燈要高得多,但它的節(jié)能效果及壽命比其他燈具也高的多。如果在路燈系統(tǒng)及候機(jī)大廳、大型百貨商場(chǎng)或超市、高級(jí)賓館大堂等用電大戶(hù)的公共場(chǎng)所全部采用LED燈具,其一次性投資較高,但長(zhǎng)期的節(jié)電效果及經(jīng)濟(jì)性都是值得期待的。在節(jié)能和環(huán)保兩大需求的強(qiáng)力推動(dòng)下LED的應(yīng)用己從早年的指示、顯示和裝飾逐步走向照明領(lǐng)域。大功率LED照明的實(shí)現(xiàn)方法主要有兩種:一是直接封裝5W以上的超大功率LED芯片二是通過(guò)多顆LED組合成超大功率LED陣列。超大功率LED芯片主要從國(guó)外或臺(tái)灣進(jìn)口價(jià)格很高。相比之下小功率芯片不僅國(guó)內(nèi)貨源充足組合成同樣的功率價(jià)格也相對(duì)較低1。除此之外多芯片LED陣列還有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì):通過(guò)不同LED芯片的串并聯(lián)組合可以實(shí)現(xiàn)各種不同的額定電壓和電流更好地適應(yīng)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)單位面積的芯片數(shù)可多可少可以封裝成各種不同的點(diǎn)和面光源可以加入不同顏色的發(fā)光芯片實(shí)現(xiàn)情景照明。目前比較成熟的商品化的大功率LED輸入功率一般為1W芯片面積1mm1mm其熱流密度達(dá)到了100W/cm2。如此高的熱流密度如不采取有效的散熱措施會(huì)使LED芯片結(jié)溫過(guò)高減少芯片出射的光子發(fā)光效率降低另一方面結(jié)溫的升高還會(huì)使芯片的發(fā)射光譜發(fā)生紅移色溫質(zhì)量下降尤其是對(duì)基于藍(lán)光LED激發(fā)熒光粉的白光LED器件更為嚴(yán)重?zé)晒夥鄣霓D(zhuǎn)換效率也會(huì)隨著溫度升高而降低2。因此對(duì)大功率LED進(jìn)行散熱研究具有重要的理論和工程價(jià)值。目前主要采用1~3W大功率白光LED作照明燈,因?yàn)槠浒l(fā)光效率高、價(jià)格低、應(yīng)用靈活。大功率LED的散熱問(wèn)題通過(guò)分析不同封裝、熱沉材料及散熱方式對(duì)LED熱分布與最大散熱能力的影響,指出解決LED散熱問(wèn)題的關(guān)鍵不是尋找高熱導(dǎo)率的材料,而是改變LED的散熱結(jié)構(gòu)或者散熱方式。光電子散熱技術(shù),同普通IT散熱一樣,傳統(tǒng)的冷卻方式包括:(1)帶有或不帶風(fēng)扇的金屬散熱器;(2)帶有或不帶風(fēng)扇的熱管(或均溫板vaporchamber)與散熱片結(jié)合的散熱器。另一種可選方案是高熱流密度熱控制的液冷技術(shù)。盡管如此,上面提到的幾種方式都各自存在固有的缺點(diǎn),妨礙它們?cè)诖蠊β孰娮友b置散熱中的應(yīng)用。例如,帶風(fēng)扇的散熱片方式,如果增大散熱量,則必須加大散熱面積或是增加風(fēng)扇轉(zhuǎn)速,其后果是散熱片超重或是系統(tǒng)噪聲令人難以忍受。同時(shí),脆弱的芯片所受壓力也會(huì)增大。盡管結(jié)合熱管可以改善散熱片的傳熱性能,但對(duì)于大功率電子散熱,其結(jié)構(gòu)會(huì)變得過(guò)于復(fù)雜而無(wú)法應(yīng)用,特別是對(duì)于超大功率散熱更是如此。對(duì)于液冷方式,眾所周知,是一種在散熱能力和整體熱阻方面相比空氣直接冷卻要高級(jí)的冷卻方式。但現(xiàn)階段,液泵的壽命和運(yùn)行中的泄漏問(wèn)題是這種技術(shù)在工業(yè)上進(jìn)行商業(yè)推廣的兩個(gè)重要瓶頸。另外,一個(gè)閉路液冷散熱器及其在設(shè)備中的安裝都是很復(fù)雜的而且成本很高。通過(guò)對(duì)芯片外延結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),使用表面粗化技術(shù)等提高芯片內(nèi)外量子效率,減少無(wú)輻射復(fù)合產(chǎn)生的晶格振蕩,從根本上減少散熱組件負(fù)荷;通過(guò)優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)、材料,選擇以鋁基為主的金屬芯印刷電路板(MCPCB),使用陶瓷、復(fù)合金屬基板等方法,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(chǎng)合中使用散熱片,依靠強(qiáng)對(duì)流散熱等方法促進(jìn)大功率LED散熱。盡管如此,單個(gè)LED產(chǎn)品目前也僅處于1~10W級(jí)的水平,散熱能力仍亟待提高。相當(dāng)多的研究將精力集中于尋找高熱導(dǎo)率熱沉與封裝材料,然而當(dāng)LED功率達(dá)到lOW以上時(shí),這種關(guān)注遇到了相當(dāng)大的阻力。即使施加了風(fēng)冷強(qiáng)對(duì)流方式,犧牲了成本優(yōu)勢(shì),也未能獲得令人滿(mǎn)意的變化。LED是個(gè)光電器件,其工作過(guò)程中只有15%~25%的電能轉(zhuǎn)換成光能,其余的電能幾乎都轉(zhuǎn)換成熱能,使LED的溫度升高。在大功率LED中,散熱是個(gè)大問(wèn)題。例如,1個(gè)10W白光LED若其光電轉(zhuǎn)換效率為20%,則有8W的電能轉(zhuǎn)換成熱能,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(guò)最大允許溫度時(shí)(一般是150℃表2大功率白光LED結(jié)溫Tj在亮度衰減70%時(shí)與壽命的關(guān)系另外,一般功率器件(如電源IC)的散熱計(jì)算中,只要結(jié)溫小于最大允許結(jié)溫溫度(一般是125℃)就可以了。但在大功率LED散熱設(shè)計(jì)中,其結(jié)溫TJ要求比125℃低得多。其原因是TJ對(duì)LED的出光率及壽命有較大影響:TJ越高會(huì)使LED的出光率越低,壽命越短。圖2
K2系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1是K2系列白光LED的結(jié)溫TJ與相對(duì)出光率的關(guān)系曲線。在TJ=25℃時(shí),相對(duì)出光率為1;TJ=70℃時(shí)相對(duì)出光率降為0.9;TJ=表2是Edison公司給出的大功率白光LED的結(jié)溫TJ在亮度衰減70%時(shí)與壽命的關(guān)系(不同LED生產(chǎn)廠家的壽命并不相同,僅做參考)。圖3
NCCWO22的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在表2中可看出:TJ=50℃時(shí),壽命為90000小時(shí);TJ=80℃時(shí),壽命降到34000小時(shí);TJ=115℃時(shí),其壽命只有13300小時(shí)了。TJ在散熱設(shè)計(jì)中要提出最大允許結(jié)溫值TJmax,實(shí)際的結(jié)溫值TJ應(yīng)小于或等于要求的TJmax,即TJ≤TJmax。圖4
LED與PCB焊接圖大功率LED的散熱路徑大功率LED在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上是十分重視散熱的。圖2是Lumiled公司K2系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、圖3是NICHIA公司NCCW022的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。從這兩圖可以看出:在管芯下面有一個(gè)尺寸較大的金屬散熱墊,它能使管芯的熱量通過(guò)散熱墊傳到外面去。圖5
雙層敷銅層散熱結(jié)構(gòu)大功率LED是焊在印制板(PCB)上的,PCB(PrintedCircuitBoard),中文名稱(chēng)為印制電路板,又稱(chēng)印刷電路板、印刷線路板,是重要的電子部件,是電子元器件的支撐體,是電子元器件電氣連接的提供者。由于它是采用電子印刷術(shù)制作的,故被稱(chēng)為“印刷”電路板。如圖4所示。散熱墊的底面與PCB的敷銅面焊在一起,以較大的敷銅層作散熱面。為提高散熱效率,采用雙層敷銅層的PCB,其正反面圖形如圖5所示。這是一種最簡(jiǎn)單的散熱結(jié)構(gòu)。圖6
散熱路徑圖熱是從溫度高處向溫度低處散熱。大功率LED主要的散熱路徑是:管芯→散熱墊→印制板敷銅層→印制板→環(huán)境空氣。若LED的結(jié)溫為T(mén)J,環(huán)境空氣的溫度為T(mén)A,散熱墊底部的溫度為T(mén)c(TJ>Tc>TA),散熱路徑如圖6所示。在熱的傳導(dǎo)過(guò)程中,各種材料的導(dǎo)熱性能不同,即有不同的熱阻。若管芯傳導(dǎo)到散熱墊底面的熱阻為RJC(LED的熱阻)、散熱墊傳導(dǎo)到PCB面層敷銅層的熱阻為RCB、PCB傳導(dǎo)到環(huán)境空氣的熱阻為RBA,則從管芯的結(jié)溫TJ傳導(dǎo)到空氣TA的總熱阻RJA與各熱阻關(guān)系為:RJA=RJC+RCB+RBA各熱阻的單位是℃/W。當(dāng)熱量在物體內(nèi)部以熱傳導(dǎo)的方式傳遞時(shí),遇到的熱阻稱(chēng)為導(dǎo)熱熱阻。對(duì)于熱流經(jīng)過(guò)的截面積不變的平板,導(dǎo)熱熱阻為L(zhǎng)/(kA)。其中L為平板的厚度,A為平板垂直于熱流方向的截面積,k為平板材料的熱導(dǎo)率??梢赃@樣理解:熱阻越小,其導(dǎo)熱性能越好,即散熱性能越好。如果LED的散熱墊與PCB的敷銅層采用回流焊焊在一起,則RCB=0,則上式可寫(xiě)成:RJA=RJC+RBA散熱的計(jì)算公式若結(jié)溫為T(mén)J、環(huán)境溫度為T(mén)A、LED的功耗為PD,則RJA與TJ、TA及PD的關(guān)系為:RJA=(TJ-TA)/PD(1)式中PD的單位是W。PD與LED的正向壓降VF及LED的正向電流IF的關(guān)系為:PD=VF×IF(2)如果已測(cè)出LED散熱墊的溫度TC,則(1)式可寫(xiě)成:RJA=(TJ-TC)/PD+(TC-TA)/PD則RJC=(TJ-TC)/PD
(3)RBA=(TC-TC)/PD
(4)在散熱計(jì)算中,當(dāng)選擇了大功率LED后,從數(shù)據(jù)資料中可找到其RJC值;當(dāng)確定LED的正向電流IF后,根據(jù)LED的VF可計(jì)算出PD;若已測(cè)出TC的溫度,則按(3)式可求出TJ來(lái)。在測(cè)TC前,先要做一個(gè)實(shí)驗(yàn)板(選擇某種PCB、確定一定的面積)、焊上LED、輸入IF電流,等穩(wěn)定后,用K型熱電偶點(diǎn)溫度計(jì)測(cè)LED的散熱墊溫度TC。在(4)式中,TC及TA可以測(cè)出,PD可以求出,則RBA值可以計(jì)算出來(lái)。若計(jì)算出TJ來(lái),代入(1)式可求出RJA。這種通過(guò)試驗(yàn)、計(jì)算出TJ方法是基于用某種PCB及一定散熱面積。如果計(jì)算出來(lái)的TJ小于要求(或等于)TJmax,則可認(rèn)為選擇的PCB及面積合適;若計(jì)算來(lái)的TJ大于要求的TJmax,則要更換散熱性能更好的PCB,或者增加PCB的散熱面積。另外,若選擇的LED的RJC值太大,在設(shè)計(jì)上也可以更換性能上更好并且RJC值更小的大功率LED,使?jié)M足計(jì)算出來(lái)的TJ≤TJmax。這一點(diǎn)在計(jì)算舉例中說(shuō)明。各種不同的PCB目前應(yīng)用與大功率LED作散熱的PCB有三種:普通雙面敷銅板(FR4)、鋁合金基敷銅板(MCPCB)、柔性薄膜PCB用膠粘在鋁合金板上的PCB。MCPCB的結(jié)構(gòu)如圖7所示。各層的厚度尺寸如表3所示。圖7
MCPCB結(jié)構(gòu)圖其散熱效果與銅層及金屬層厚如度尺寸及絕緣介質(zhì)的導(dǎo)熱性有關(guān)。一般采用35μm銅層及1.5mm鋁合金的MCPCB。柔性PCB粘在鋁合金板上的結(jié)構(gòu)如圖8所示。一般采用的各層厚度尺寸如表4所示。1~3W星狀LED采用此結(jié)構(gòu)。采用高導(dǎo)熱性介質(zhì)的MCPCB有最好的散熱性能,但價(jià)格較貴。表4
柔性PCB各層厚度尺寸圖8
散熱層結(jié)構(gòu)圖計(jì)算舉例這里采用了NICHIA公司的測(cè)量TC的實(shí)例中取部分?jǐn)?shù)據(jù)作為計(jì)算舉例。已知條件如下:LED:3W白光LED、型號(hào)MCCW022、RJC=16℃PCB試驗(yàn)板:雙層敷銅板(40×40mm)、t=1.6mm、焊接面銅層面積1180mm2背面銅層面積1600mm2。LED工作狀態(tài):IF=500mA、VF=3.97V。按圖9用K型熱電偶點(diǎn)溫度計(jì)測(cè)TC,TC=71℃。測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度TA=251.TJ計(jì)算TJ=RJC×PD+TC=RJC(IF×VF)+TCTJ=16℃+71℃=圖9
TC測(cè)量位置圖2.RBA計(jì)算RJA=(TC-TA)/PD=(71℃-25=23.1℃3.RJA計(jì)算RJA=RJC+RBA=16℃/W+23.1=39.1℃如果設(shè)計(jì)的TJmax=90℃另外一種方法是,在采用的LED的RJC值太大時(shí),若更換新型同類(lèi)產(chǎn)品RJC=9℃TJ=9℃/W(500mA×3
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