LED散热与结构设计-define

1、led散热与结构设计热是什么众所周知，led是高能效光源，而且因为体积小深受设计师的喜爱。但只有当不 涉及热管理时，它们才可以被真正地称为“小”。虽然与白炽光源高达2500c的工 作温度相比，led光源温度要低得多。因此，许多设计师最终意识到散热是个不可忽 视的问题。尽管led仍然会发热，但其温度相对低一些，因此这不会有什么大问题。 不过，基于半导体器件淇工作温度应低于10（jco根据能量守恒定律，热能）必须要被传送到附近区域。lfd只能工作在2sc环 境温度和最高100c之间，温差范围仅为75co因此，需要个较大的散热表面和 非常有效的热管理.一，led为什么要散热众所周知，led是高能效光

2、源，而且因为体积小深受设计师的喜爱。但只有当 不涉及热管理时，它们才可以被真正地称为“小”。虽然与白炽光源高达25o0c的 工作温度相比，led光源温度要低得多。因此，许多设计师最终意识到散热是个不可 忽视的问题。尽管led仍然会发热，但其温度相对低-些，因此这不会有什么大问 题。不过，基于半导体器件led其工作温度应低于10（jco根据能量守恒定律，热能）必须要被传送到附近区域。lfd只能工作在25c环 境温度和最高100c之间，温差范围仅为75co因此，需要个较大的散热表面和 非常有效的热管理。理论上led总的电光转换效率约为54%理论值）,在现实只有理论值的必其余 的电能将以热能的形式释

3、放，这就是led为什么要散热的原因； 散热不好，造成温度上升； 温度丄升一 光效率下降； 温度上升一波长受影响：蓝光向短波长漂移，其它颜色向长波长漂移红 光） 温度上升一目关色温 ot）:白光的相关色温升高，其它色温将下降； 温度上升一 向电压 向电压下降； 温度上升 向电流增大； 温度丄升应力增大； 温度上升一 器件的使用寿命减短； 温度上升一 口是带荧光粉，环氧树脂的led,温度上升将导致这些材料发 生劣化；上述也只是部分温度过高对led部分性能产生影响,实际受影响的远远不止这些, 严重的将导致led灯失效；二，led散热与结构led失效形式之八就是热失效，随温度的升高，不但led失效率大

4、大增加，而光 衰加剧，寿命减短等，因此其散热设计是不容忽视的个重要环节；室外灯外壳的防 护等级一般都要求在ip65以上,热量不能通过空气对流的方式散发了出去，所以利用 良好的导热途径将lew勺热量传到到灯壳;选择合适导热材料和良好结构设计直接决 怎了产品的性能；1. led灯具热阻的计算；对灯具结构进行热分析是设计灯具时必须完成的一项工作由于灯具是在一 启后蘆渐升温最后达到热稳定状态，稳定状态时各点的温度是最高，所在在散热计算 时一般只考虑稳态时的情况,瞬态热分分布情况并不重要因此应在灯具外于热稳定 状态时计算类具散热的情况.lep灯具热分析公式；tjeta+ (r hb-a x p) + (

5、r thjsp x red )式中：tiled理论结点温度，单位：。cta吏用环境温度，单位：°c乩丁具散热部件总热阻，单位:°c刊bed一颗led功率,单位:wp 总功率,单位:wrg行颗lei热阻.单位:°c/vv因灯具一般使用环境温度ta温度是在f2ac5c);受外因素限制一般是不可 控的,另外为满足照明效果，le逖丁总功率£总，单颗le眄j率pie踊设计前应要确定， 单颗led的热阻目前一般为&c/w 例：一个16颗led(iw颗)的灯；t、= 150 °ctp 45 °c0. 33a3. 3m. 155w皆 1. 1

6、5118. 4&mr thjp= gc /avrhb-a w (tj ta-thjsp * red)rh_ w (150ctsc yc 时 1 15沏/ 18. 4mrh“ w 5. 182c从这个例子可得出：散热部件的热阻r(thgw 5. 18zc凡时，其灯才可以在45c的 外部环境中使用；2. led灯具结构的热分析热量在热流路径丄遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明了 呻龟所引起的温升大小，单位为°c穴或 w 用热功耗乘以热阻，即可获得该传 热路径上的温升。可以用个简单的类比来解释热阻的意义，换热量和当于电流， 温差相当于电压，则热阻相当于电阻。热阻rj

7、a：芯片的热源结(junction)到周围冷却空气(ambient)的总热阻， 乘以其发热量即获得器件温升。热阻rjc芯片的热源结到封装外壳间的热阻，乘以发热量即获得结与壳的温差。热阻rjb:芯片的结与pcb板间的热阻，乘以通过单板导热的散热最即获得结与 单板间的温差。热传递方式有:传导,辐射,对流；对于 mt具散热来说,热传导方式起主要作用； 因此led灯具的热分析主要考虑热最在灯具内以热传导方式传递时的散热效果；热阻是指热量传递通道上两个参考点之间的温度差与两点间热量传输率的比值; 单位为°c/¥热阻为阻止热量传递能力的综合参考虑,应通过减小热阻以加强热量递时，遇到热量

8、流过两个相接触的固体的交界面时，界面本 俎，称为接触热阻。如下图a e之间的接触面） 司一温度，即假定两层壁面之间保持了良好的接触。产生接触热阻的主要原因是，而在工程实际中由于任何外表上看来接触良好的 两物体，直接接触的实际面积只是交界面的部分（见图），其余部分都是缝隙。 热量依靠缝隙内气体的热传导、对流和辐射的方式传递，而它们的传热能力远不及 -般的固体材料。此时接触面两侧存在温度差。接触热阻使热流流过交界面时，沿 热流方向温度t发生突然下降，这是工程应用中需要尽量避免的现象。单位，m2 w减小接触热阻的措施是： 增加两物体接触面的压力，使物体交界面上的突出部分变形，从而减小缝隙 增大接触

9、在两物体交界面处涂上有较高导热能力的胶状物体导热脂当热量在物体内部以热传导的方式传递时，遇到的热阻称为导热热阻。对于热 流经过的截面积不变的；单位：°c/vv在对流换热过程中，固体壁面与流体之间的热阻称为对流换热热阻，1/（昭o 其中h为对流换热系数，a为换热面积；两个温度不同的物体柑互辐射换热时的热阻称为辐射热阻。如果两个物体都是 黑体（见黑体和灰体），且忽略两物体问的气体对热量的吸收，则辐射热阻为 1/r1f12或l/（a2f2-l）o其中a1和a2为两个物体相互辐射的表面积，f1-2和f2-1 为辐射角系数。微生物指微生物在某一特定条件（主要是温度和加热方式）下的致死时间。柑对

10、热阻：指微生物在某一特定条件下的致死时间与另一微生物在相同条件 下的致死时间的比值3. led散热器结构设计小结结合丄述分析：我们可知道一个散热片的散热效果主要取决于散热片与发热 物体接触部分的吸热底和散热片的设计。性能优秀的散热器，其性能应满足三个要 求：吸热快、热阻小、去热快。 吸热快：即吸热底与led模块间热阻小，可以迅速的吸收其产生的热量。 为了达到这种效果，就要求吸热底与led模块结合尽量紧密，令金属材料与led模 块直接接触，最好能够不留任何空隙。散热器的整体热阻就是由与led模块的接触面开始逐层累计而来，吸热底内部 的热传导阻抗是其中不可忽视的一部分。为了将吸收的热量有效地传导到

11、尽量多的 鳍片丄，因此还需要吸热底有较好的横向热传导能力，我们在设计灯具时首先满足 吸热底有足够的厚度，同时考虑led模块的安装孔位进行加筋，也加强了灯具的整 体性和机械强度。 热阻小：为了提升吸热能力，希望散热片与led模块紧密结合，不留任何 空隙，一般加工方法加工出的表面是无法实现的。吸热底与lfd模块之间必然 存在一定的空隙，如果空隙中是高热阻的空气，就无法得到良好的导热效果，因此， 应采用具有较低热阻及较佳适应性的材料填充其中的空隙，这便是导热膏的用武之 地。但导热膏的热阻始终要高于加工散热片的金属材料，使用它只是权宜之计，并 非真正的解决之道，要想根本上提高散热片吸热底的吸热能力，就

12、必须提高其底面 平整度。平整度是通过表面最大落差高度来衡最的，通常散热片的底部稍经处理即 可达到0. linn以下，采用铳床或多道拉丝处理可以达到0. 03呵散热片的吸热底越 平整热阻越小，越有利于热量吸收，但由于无法做到完美，涂抹导热膏成为了 led 模块安装到散热器的必须步骤，从而达到吸热的最佳效果。热鳍形成热量4 散热材料选择分析41常用散热材料及导热系数密度；led散热选材原则： 导热性能好一一相对其它固体材料，金属具有更好的热传导能力； 易于加工延展性好，高温相对稳定，可采用各种加工工艺； 易获取一一虽然金属也属不可再生资源，但供货量大，不需特殊工序，价 格也札i对低廉；依此确定了散

13、热片所用材料类型，具体种类的确定同样需以此为标准。下表 为散热片惯用材料与常见金属材料的热传导系数。热传导系数的定义为：每单位长度、每k可以传送多少确勺能最，单位为 wk 其中“w指热功率单位，“说代表长度单位米，而“k为绝对温度单位。该数值 越大说明导热性能越好。材料热传导率b此热容1密度(gm3)银 silver4290. 2410. 5铜 cooper4010. 398. 69金 gold3171. 2919. 32铝 a 1 umi num2370. 92. 7al6061铝合金1552. 7al6063铝合金2010. 92. 7a3c12960. 92. 7al1070铝合金226

14、0. 92. 7al1050铝合金2090. 92. 7diamond 钻石2300铁807. 3 7. 7锡67铅34 8钢材58. 27. 8铝合金203pvc0. 19pa0. 23松木0. 17单层玻璃6. 2陶瓷带如）6. 792. 7石墨水平：700垂直:307201. z 5水0. 5564. 181空气q5°c )0. 024cp=1. 0032 仏 c)cv =0. 7106 ,1. 4120. 001181112导热材料选择选材当然是选热传导系数自然是越高越好，但同时还需要兼顾到材料的机械性能与价格及后加工工艺；热传导系数很高的:金、银：由于质地柔软、密度过大、及

15、价格过于昂贵而无法 广泛采用；铁：则由于热传导率过低，无法满足高热密度场合的性能需要，不适合用于制 作高性能散热片。铜：热传导系数同样很高，可碍于硬度不足、密度较大、成本稍高、加工难度 大，容易氧化等不利条件，在散热片中使用较少。铝：作为地壳中含量最高的金属，因热传导系数较高、密度小、价格低而受到 青睐；但由于纯铝硬度较小，在各种应用领域中通常会掺加各种配方材料制成铝合 金，为此获得许多纯铝所不具备的特性，而成为了散热片加工材料的理想选择。铝 合金的优点是价格低廉，重量轻）各种铝合金材料根据不同的需要，通过调整配方材料的成分与比例，可以获得 各种不同的特性，适合于不同的成形、加工方式，应用于不

16、同的领域。上表中列出 的5种不同铝合金中：aa6061与aa6063具有不错的热传导能力与加工性，适合于挤 压成形工艺，在散热片加工中被广为采用。adc12适合于压铸成形，但热传导系数较 低，因此散热片加工中通常采用 m1070铝合金代替，可惜加工机械性能方面不及 肛12, aa1050则具有较好的延展性，适合于冲压工艺，多用于制造细薄的鳍片。（导 热塑料与陶瓷散热器及加工工艺以后分开再叙） 加工工艺选用的材料不一样,相应的制程也有所去别;下面以选用铝材为例：1铝挤压技术（extruded）铝挤压技术简单的说就是将铝锭高温加热至约52634gc ,在高压下让铝液 流经具有沟槽的挤型模具，作出散

17、热片初胚，然再对散热片初胚进行裁剪、剖沟等 处理后就做成了我们常见到的散热片。铝挤压技术较易实现，且设备成本相对较低, 也使其在前些年的低端市场得到广泛的应用。-般常用的铝挤型材料为aa6063,其 具有良好热传导率约16o80w fo与加工性。不过由于受到本身材质的限制散热 鳍片的厚度和长度之比不能超过1： 18,所以在有限的空间内很难提高散热面积，故 铝挤散热片散热效果比较差；注：铝挤在做par灯和其它灯时往往要在加工；工艺一般是：铝挤裁切车销清洗一一阳极（或它表面处理） 缺点:后加工较麻烦，特别是车销，因灯是圆的，所以在加工质量较难控制； 优点:模具简单;-个铝挤模可以经后加工出多款产品

18、；铝压铸技术通过将铝锭（纯度9缢右）和合金材料熔解成液态后，填充入金属模型内， 利用压铸机直接压铸成型，制成散热片，采用压注法可以将鳍片做成多种立体形状, 散热片可依需求作成复杂形状，亦可配合风扇及气流方向作出具有导流效果的散热 片，形状可设计成像玩具那样，造型各异，方便各种方向连接，另外，它硬度强度 较高，同时可以与锌混合成锌铝合金。且能做出薄且密的鳍片来增加散热面积，因 工艺简单而被广泛采用。一般常用的压铸型铝合金为ax12,由于压铸成型性良好， 适用于做薄铸件，但因热传导率较差 约96w1k），现在国内多以 m1070铝料来 做为压铸材料，其热传导率高达200 wk左右，具有良好的散热效

19、果。不过，以 am070铝合金压铸散热器存在着一些其自身无法克服的先天不足： 压铸时表面流纹及氧化渣过多，会降低热传效果。 冷却时内部微缩孔偏高，实质热传导率降低（200 wkio 模具易受侵蚀，致寿命较短。 成型性差，不适合薄铸件。 材质较软，容易变型2 压铸铝成型工艺分：工艺般是：压铸成型粗抛光去合模余料细抛光或喷砂喷漆或电泳；另一方面，压铸铝生产过程，应有模具才能制造，其模具造价十分昂贵，比 注塑模等其它模具均高。同时，模具维修十分困难，设计出错误时难以减料修复。 压铸铝缺点：每次生产加工数量应多，成本才低。抛光较复杂生产周期慢产品成本较注塑 件高倍左右。螺丝孔要求应大一点（直径4 5nn）连接力才稳定3.接合型制程这类散热器是先用铝或铜板做成鳍片，之后将它压固结合在具有沟槽的散热底 座上。结合型散热器的特点是鳍片突破原有的比例限制，散热效果好，而且还可以 选用不同的材质做鳍片。此制程之优点为散热器pirhfin比可高达60以上，散热效 果佳，且鳍片可选用不同材质制作。其缺点在于利用压固结合的鳍片与底座之间会 存在界面阻抗问题，从而影响散热，为了改善这些缺点，散热器领域又运用了 2种 新技术。4 抒焊扌千焊是采用熔点比母材熔点低的