LED灯散热分析

1、分析：如何解决LED散热的问题（1）2011-07-26 07:40:38 来源：OFweek 半导体照明网关键字：LED散热LED照明LED芯片大功率LED LED封装LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。近年来，世 界上一些经济发达国家围绕LED的研制展开了激烈的技术竞赛。其中LED散热一直是一个亟待解决的问题！有研究数据表明，假如 LED芯片结温为25度时的发光为100%，那么结温上升至 60度时，其发光量就只有 90%;结温为100度时就下降到80% ； 140度就只有70%。可

2、见 改善散热，控制结温是十分重要的事。除此以外LED的发热还会使得其光谱移动；色温升高；正向电流增大（恒压供电 时）；反向电流也增大；热应力增高；荧光粉环氧树脂老化加速等等种种问题，所以说，LED的散热是LED灯具的设计中最为重要的一个问题。LED芯片结温是怎么产生的LED发热的原因是因为所加入的电能并没有全部转化为光能，而是一部分转化成为热能。LED的光效目前只有100lm/W，其电光转换效率大约只有 2030%左右。也就是说 大约70%的电能都变成了热能。具体来说，LED结温的产生是由于两个因素所引起的。1 内部量子效率不高，也就是在电子和空穴复合时，并不能100%都产生光子，通常称为由

3、电流泄漏”而使PN区载流子的复合率降低。泄漏电流乘以电压就是这部分的功率， 也就是转化为热能，但这部分不占主要成分，因为现在内部光子效率已经接近90%。2 内部产生的光子无法全部射出到芯片外部而最后转化为热量，这部分是主要的，因为目前这种称为外部量子效率只有30%左右，大部分都转化为热量了。虽然白炽灯的光效很低，只有15lm/W左右，但是它几乎将所有的电能都转化为光能而辐射出去，因为大部分的辐射能是红外线，所以光效很低，但是却免除了散热的问题。LED的散热现在越来越为人们所重视，这是因为LED的光衰或其寿命是直接和其结温有关，散热不好结温就高，寿命就短。大功率LED白光应用及LED芯片散热解决

4、方法当今LED白光产品被逐渐运用于各大领域投入使用，人们在感受其大功率 LED白光带来的惊人快感同时也在担心其存在的种种实际问题！首先从大功率LED白光本身性质来说。大功率LED仍旧存在着发光均一性不佳、 封闭材料的寿命不长尤其是其LED芯片散热问题很难得到很好的解决，而无法发挥白光LED被期待的应用优点。其次从大功率LED白光市场价格来说。当今大功率LED还是一种贵族式的白光产 品，因为大功率产品的价格还是过高，而且技术上还是有待完善，所以说大功率白光LED产品不是谁想用就能够用的。下面OFweek半导体照明网来分解下大功率LED散热的相关问题。近些年在业界专家的努力下对大功率LED芯片散热

5、问题提出了一下几点改善方案：1. 通过提高LED晶片面积来增加发光量。2. 采用封装数个小面积 LED晶片。3. 改变LED封装材料和萤光材料。那么是不是通过以上三种方法就可以完全改进大功率LED白光产品的散热问题了呢？实则斐然！首先我们虽然将LED芯片的面积增大，以此获得更多的光通量（光单位时间内通过单位面积的光束数即为光通量，单位ml）希望能够达到我们想要的白光效果，但因其实际面积过大，而导致在应用过程与结构上出现了一些适得其反的现象。那么是不是大功率 LED白光散热问题就真的无法解决了呢？当然不是无法解决 了。针对单纯增大晶片面积而出现的负面问题，LED白光业者们就根据电极构造的改良及覆

6、晶的构造并利用封装数个小面积LED晶片等方式从大功率 LED晶片表面进行改良从而来达到60lm/W的高光通量低高散热的发光效率。其实还有一种方法可以有效改进大功率LED芯片散热问题。那就是将其白光封装材料用硅树脂取代以往的塑料或者有机玻璃。更换封装材料不仅能够解决LED芯片散热问题更能够提高白光 LED寿命，真是一箭双雕啊。我想说的是几乎所有像大功率LED白光这样的高功率白光LED产品都应该采用硅树脂作为封装的材料。为什么现在大功率 LED中必须采用硅胶作为封装材料？因为硅胶对同样波长光线的吸收率不到1%。但是环氧树脂对400-459nm的光线吸收率高达 45%，很容易由于长期吸收这种短波长光

7、线以后产生的老化而 使光衰严重。当然在实际的生产生活中还会出现很多像大功率LED白光芯片散热这样的问题，因为人们对大功率 LED白光越广泛的应用就会出现越深入难解的种种问题！LED芯片的特点是在极小的体积内产生极高的热量。而LED本身的热容量很小，所以必须以最快的速度把这些热量传导出去，否则就会产生很高的结温。 为了尽可能地把热量引出到芯片外面，人们在LED的芯片结构上进行了很多改进。 为了改善LED芯片本身的 散热，其最主要的改进就是采用导热更好的衬底材料。像Cree公司的LED的热阻因为采用了碳化硅作基底，要比其他公司的热阻至少低一倍。即使能够解决从晶片到封装材料间的抗热性，但因从封装到P

8、CB板的散热效果不好的话，同样也是造成 LED晶片温度的上升，出现发光效率下降的现象。所以，就像是松 下就为了解决这样的问题，从2005年开始，便把包括圆形，线形，面型的白光LED，与PCB基板设计成一体，来克服可能因为出现在从封装到PCB板间散热中断的问题。因此，在面对不断提高电流情况的同时，如何增加抗热能力， 也是现阶段的急待被克服的问题，从各方面来看，除了材料本身的问题外，还包括从晶片到封装材料间的抗热性、导热结构、封装材料到 PCB板间的抗热性、导热结构，及PCB板的散热结构等，这些都需要作整体性的考量。LED照明灯具散热的问题解答对目前常见的白炽灯泡或是荧光灯来说，即便产品本身运行可

9、能产生热能，但组件的高热仍可以被有效隔离，使光源与电源接座不会因热而产生意外的问题。但固态照明就不同，一来LED组件集中单点的运行高温，必须采取更多积极手段进行散热处理，同时搭配 主动有效的热处理机制，才能避免灯具发生问题。LED固态光源热处理问题较传统灯具复杂得多。传统光源或灯具多有运行过程产生高热的问题，例如卤素灯泡或白炽灯泡， 若是白炽灯形式，即在特殊处理的灯球内加热钨丝产生光亮。实际上，高温产生在灯丝上而非灯座，即便灯座会因灯球玻璃或是金属受钨丝发光的辐射热、热传导间接产生高温，但产生的温度都在可接受的安全范围，再加上非直接接触传导, 安全性也相对较高。但换成LED固态光源形式的灯具，

10、其热处理便可能成为新的应用安全问题。多数人会 认为LED具高能源转换效率、低驱动能源优势，自然使用安全性较高， 但实际上LED固态光源为了达到日常照明的应用目的，必须透过加大单组组件的功率去强化单元件的输出流 明，例如灯具厂会采取多 LED组件整合形式加强输出效果，且多组件同时运行也能改善 LED 固态光源光型偏向点光源的问题，让LED固态光源技术的灯具可产生如灯泡般的面光源效果。如果要强化单元件的输出流明，必须更高的电流，以使LED芯片的PN接面产生更多流明，但更高电流也会让单点LED组件的温度升高、更难处理，甚至为了提高灯具的光型表现、发光效率而采取多组件并用形式，也会使LED灯具的高温问

11、题加剧，让散热问题更难处理。综观目前LED灯具市场的发展趋势，多数LED光源的厂商大多会先以市场为主导，因为高单价、高利润，也可以借由技术差异迅速打入发展技术较前卫的LED光源市场，例如，针对室内装潢、情境灯具应用的嵌灯、壁灯、吸顶灯就成为LED光源灯具较常见的设计形式，其替换传统灯具后的省电效益亦最受相关业者关注。LED光源灯具必须重点处理的热管理设计，在可能于密闭或半密死循使用的嵌灯、壁灯、吸顶灯产品，形成更严苛的挑战，灯具开发商必须从材料、产品构型、主/被动散热机制、驱动芯片设计等方面投入更多资源，以避免产品的问题肇生。特别是LED嵌入式灯具体积小，且常采多组件整合， 模块的散热设计难度

12、较高。嵌入式灯具外壳采铝挤型或散热片设计，可发挥自体散热作用。但这还远远不够。LED热管理：NTC持续运行温度维持 LED灯使用安全若LED灯具没有搭配足够的热管理设计，在使用过程中可能会导致灯具因为经常性高 热运行造成寿命锐减，产生必须频繁更换故障 LED灯具的困扰，严重者甚至可能酿成意外，因运行高温造成线或是周边装潢着火燃烧！在产品开发阶段，可运用智能型LED灯光控制技术，透过主动式的监看 LED灯具与整 体光源模块的温度表现， 简化装置的热管理工作， 同时当灯具与周遭温度上升至区段时，灯具必须降低电功率、减少 LED亮度输出，以此提升 LED固态光源灯具的使用安全性。像LED吸顶灯外壳考

13、虑较简单的设计形式，若灯具本身所使用的驱动器功能较聚焦于 电源转换与LED组件驱动，并未内嵌温控微处理器与散热处理模块，为避免增加产品原料 件的成本，LED 灯具可整合 NTC(NegativeTemperatureCoeffient)负温度系数 ThermistorSensors 电，是成本效益相对较高的安全设计方案。所谓NTC电，其设置目的是藉由透过电子回去监看 LED的模块灯具温度，透过默认温 度警示或是对应自动处理驱动状况， 采关闭LED固态光源模块方式， 来提升LED灯具的使 用安全，同时NTC电也能降低设计的复杂度。由于NTC电的温度系数非常大，因此可以侦测得知微小的温度变化表现，

14、被广泛应用 于需量测、控制与补偿温度的相关电设计中，而NTC电在LED光源模块设计中，基本上为量测LED固态光源灯具的产品周边温度变化，至于量测状况会随着NTC改变的电压现况，直接测得电压和 NTC电的温度对应关系。当NTC和周边电或整个模块温度提升时， NTC电的电阻随即降低，产品可依此相依关 系进行相关安全控制机制反馈，例如减少 LED发光组件的驱动电流或是直接强制关闭灯具 照明，在灯具温度问题改善后自动回复照明状态，藉此获得灯具使用的安全性。监控LED灯具温度亦可导入微控制器采SMD形式制作的NTCTHERMISTOR 组件前述NTC电的改善形式，若想达到更佳的设计，搭配MCU进行更精密

15、的安全设计也是一种相对务实的作法，在开发项目中，可将LED光源模块的状态区分为灯光是否正常、灯光是否被关闭，搭配温度警示与温度量测的程序逻辑判断，建构更为完善的智慧灯具管理机制。例如，若出现灯具温度警示， 经温度量测得知模块温度仍在可接受范围，可维持正常途径，透过散热片自然散逸运行温度；而当警示告知所测得温度已达需执行主动散热机制的基准，此时MCU必须控制散热风扇作动，甚至当温度达到值，系统必须透过MCU直接关闭驱动器供应电源，LED组件暂时停止运行，自然进行散热处理。判断灯具是否使用或关闭，可用简单的判断位来做变化与了解产品目前使用状态，比较关键的是温度量测部分， 所量测的温度必须实时与系统的参照表进行比对，以确认目前模块状态的正常或异常程度，计算出温度间距后，自动对应进行温控管理。同样的，当温度进入区段时，控制机制应随即关闭灯源，同时在系统关闭后 60秒或180 秒后再次进行温度确认， 待LED固态光源模块温度达正常值，