LED散热原理与技术简介

LED散热原理与技术简介,推动绿色照明，点亮和谐世界,LED散热原理与技术简介,LED热学特性及散热分析,产生热量的原因1,图(a)电子与空穴结合产生辐射复合，辐射光子能量为hvEg。图(b)在非辐射复合中，电子与空穴结合后转化为晶格振动（以热量的形式表现）在目前的技术条件下，不同波长的LED芯片中，非辐射复合百分比从1（红橙色）97（深紫色）不等，因此芯片内量子效率为99（红橙色）3（深紫色）,LED散热原理与技术简介,产生热量的原因2,芯片PN结处发出的光子在通过芯片表面的时候，由于芯片的折射率远大于空气和封装用的硅胶，存在全反射的现象，导致到达表面的光子被反射回芯片内部，最终转换成了热量。外量子效率的定义为：ex芯片发射出的光子数量/PN结产生的光子数量。通常外量子效率从330不等（2008年）制作白光单元的时候，由于荧光粉存在激发效率，也存在部分激发能量转换为热量。不合理的光学设计也会导致产品出光效率低下，为出射的光能转化为热能。因此综合上述原因，目前高亮度的LED产品仅有20左右的电能最终转换为光能。,LED散热原理与技术简介,芯片的物理特性,芯片尺寸目前市场上技术比较成熟的功率型LED芯片尺寸都在40mil(1mil1/25.4in)，约11mm2左右，其功率密度高达1w/m*2。芯片主要材料蓝绿光PN结:GaN/GaNIn，掺杂有In，Al等衬底：蓝宝石/碳化硅/铜合金等,LED散热原理与技术简介,传统的照明器件不同，白光LED的发光光谱中不包括红外部分，所以器件产生的热量不能依靠辐射释放出去，所产生的热量转化为使芯片本身温度升高的升高的能量。,单色LED光谱分布,白炽灯光谱分布,LED散热原理与技术简介,散热的重要性,1.温度对LED的影响,荧光粉光谱分布光输出,LED散热原理与技术简介,1.1温度对黄色荧光粉激发效率的影响,LED散热原理与技术简介,1.2光谱分布对色温和色坐标影响,LED散热原理与技术简介,测量结果,LED散热原理与技术简介,1.3LED光输出与结温的关系,Cree公司的XLamp7090XRE,LED散热原理与技术简介,不同厂家LED测量结果,LED散热原理与技术简介,对于单个LED而言，如果热量集中在尺寸很小的芯片内而不能有效散出，则会导致芯片温度升高，引起热应力的非均匀分布、芯片的失效率也会上升。研究表明：当温度超过一定值，器件的失效率将呈指数规律攀升，元件温度每上升2oC，可靠性下降10。,影响器件可靠性,LED散热原理与技术简介,散热技术研究,热量传递基本方式传导、对流、辐射散热的基本方式主动散热被动散热,LED散热原理与技术简介,凡是有温度差的地方，就有热量自发地从高温物体传向低温物体，或者从物体的高温部分传向低温部分。热量传递是自然界和生产技术中一种非常普遍的现象。,热量传递的基本方式,三种热传递的基本方式导热对流辐射,LED散热原理与技术简介,导热:物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为导热（或者热传导）。基本公式为“Q=AT”。其中：Q：单位时间内通过某一给定面积的热量，简称热流量。单位：W；：材料的热传导系数，单位：W/(mK)A代表传热的面积(或是两物体的接触面积)，单位：T代表两端的温度差，单位：；因此，从公式我们就可以发现，热量传递的大小与热传导系数、热传热面积成正比，同距离成反比。,LED散热原理与技术简介,几种常见金属材料的热传导系数（20）,LED散热原理与技术简介,对流:对流指的是流体(气体或液体)与固体表面接触，造成流体从固体表面将热带走的热传递方式。热对流的公式为“Q=HAT”。公式：Q依旧代表热量，也就是热对流所带走的热量；H为对流换热系数值，A则代表对流的有效面积；T代表固体表面与区域流体之间的温度差。因此热对流传递中，热量传递的数量同热对流系数、有效接触面积和温度差成正比关系；在传递热量恒定的情况下，T越小，HA需要越大。,LED散热原理与技术简介,对流分为自然对流与强制对流：1、自然对流：由于流体冷热各部分的密度不同而引起，驱动力是温度差导致的密度差；2、强制对流：流动是受外在的强制驱动（如风扇带动的空气流动）或者其他压差所引起的。,LED散热原理与技术简介,辐射:不需要接触，就能够发生热交换的传递方式，也就是说，热辐射其实就是以波的形式达到热交换的目的。特点：1、热辐射是通过波来进行传递的，那么势必就会有波长、有频率。2、不通过介质传递就需要的物体的热吸收率来决定传递的效率了，这里就存在一个热辐射系数，其值介于01之间，是属于物体的表面特性，热辐射的热传导公式：Q=ES(Ta4Tb4)”。公式中：Q代表热辐射所交换的能力，E是物体表面的发射率。S是物体的表面积，是斯忒藩玻尔兹曼常量，即黑体辐射常数。Ta4Tb4则是表面a的温度同表面b之间的温度差。因此热辐射系数、物体表面积的大小以及温度差之间都存在正比关系。因此，温度差每增加一倍，换热能力提高16倍。白炽灯工作温度为3000摄氏度左右，而LED路灯散热器温度仅为50摄氏度左右。,LED散热原理与技术简介,依照从散热器带走热量的方式：主动式散热：通过风扇等散热设备强迫性地将散热片发出的热量带走，其特点是散热效率高，而且设备体积小。几种常见的主动散热方式：风冷散热、液冷散热、热管散热、半导体制冷、化学制冷被动式散热：通过散热片将热源如CPU产生的热量自然散发到空气中，其散热的效果与散热片大小成正比，但因为是自然散发热量，效果当然大打折扣，,散热的基本方式,LED散热原理与技术简介,目前，由于主动散热技术在可靠性、价格与使用寿命等方面还存在较多的问题，因此，还不能成为LED产品的主流散热技术。但随着技术与生产的发展，主动散热技术的应用会越来越多。LED产品目前最可靠、最经济的散热方式为被