LED-Heat-Dissipation-Based-on-Printed-Circuit-Board印刷电路板的大功率发光二极管的散热研究

关于印刷电路板的大功率发光二极管的散热研究（1．中国天津工业大学信息通信工程，天津3001602；2.天津固态照明有限公司，天津3001602；）摘要：为了研究大功率发光二极管在印刷电路板上的散热，我们设计了一个单独的发光二极管灯模型。根据这个灯模型，我们将验证在三种不同工作电流下的例如PCB上的四种不同类型的热电阻及LED结温等一些热性能。结果显示减少PCB板上的热电阻不能明显的减少LED结温。然而，PCB上使用低热电阻时就能实现更小的散热器，所以这对减少led灯的尺寸，重量和费用是很有帮助的。关键字：大功率发光二极管；印刷电路板；底层的散热；热变电阻；结温；1简介LED作为一种固体半导体发光器件，有着很多的性能优势，比如低电压，高发光效率，使用寿命长，等等。它被认为是未来能取代白炽灯，卤素灯的21世纪最有价值的光源。大功率LED（≥1W）只能转换15%的输入功率成光能，其余部分将转换成热能丢失。因为芯片的表面面积小（只有1mmx1mm到2.5mmx2.5mm），芯片的热通量将达到100w/cm²,它还将随着输入功率的增加而上升。如果热量不能很快的转移到周围环境中，结温就会增加，它将会明显的影响光效率、光波长、装置使用寿命和可靠性。因此，结温是发光二极管热力性能的一个很重要的指标。大功率LED灯热能的消散主要是通过热传导，也就是从PN结到外延层，外延层到印刷电路板，接着从PCB到散热器，最后传送到空气。所以PCB不仅仅是用于物理设备的支持和LED的电路连接，更是散热的一个重要途径。随着大功率LED输入功率的增加，PCB往往不能很好的溢出产生的热量。在该论文中，我们通过作用于大功率LED的PCB的热学分析，设计了一个简单的大功率LED灯模型，热特性包括在不同功率条件下的结温和PCB板的热变电阻，并用实验方法来调查研究。2实验摘要2.1实验装置实验装置主要由LED灯，直流电源，由杭州xingpu技术公司生产的SSP8810LED光电热量检测计（下文中为简称）组成。LED灯包括14个发光二极管，印刷电路板，铝制散热器和如图1所示的灯箱组成。为了减少接触的热变电阻，在印刷板与散热器间填满了散热膏。图1LED灯结构原理2.2实验原理2.2.1热变电阻检测方法热变电阻通常用来评测大功率LED的热传输性能，而结温是由热变电阻和功率损耗决定的。在大功率LED中，热变电阻是热力性能的一个很重要的方面，称作R。他可由以下公式估算出来：R=（Tj–tC）/P（1）R是在PN结和控参考点间的热变电阻，tJ是PN节点温度，tC是参考温度，P是功率总损耗。该图在大功率LED光电效率仅为15%时需要改进，当P为总功率消耗的热传速率时，可以表达为：R=(tJ-tC)/P=VtJ/（0.85Vh*Ih）（2）Ih表示LED额定电流，Vh表示额定电流下的正向电压，VtJS是节温的增加值。节温和正向电压成线性关系。关系式为：VV=K(tJ-tC)=KVtJ（3）其中K表示比例系数，单位是V/℃。VV是节点电压的变化值，涉及到电压初始值。实用比例系数KL来计算节温的变化，接着在用公式2，我们就可以热变电阻的数值了。2.2.2大功率LED灯的热变电阻包括四个部分。第一部分是大公路车LED的包装热敏电阻R1，与芯片的包装技术相关。第二部分是在LED和PCB板间的结合热敏电阻R2，它由胶粘材料和胶粘厚度决定。第三部分是PCB的热变电阻R3，它受PCB的类型及PCB的每个阶层的热传导特性影响。最后一个部分是在散热器和周围环境之间的传导电阻R4，它受表层结构，周不安环境的风速等各因素的影响。等式为：Rtotal=R1+R2+R3+R4(4)在四个热变电阻中，本文本将讨论PCB热变电阻R3；2.3实验步骤首先，为了方便的辨别四种PCB样品，把三个定制的PCB称作P1，P2和P3，最后一个商业铝制PCB标志为D1。接着，将14个LWW5JM大功率LED灯镶嵌在PCB样板上。为了测量单个LED的结温，在T2上的LED将从PCB板上分离出来，剩下的13个LED组成连续回路。最后，对于四种不同类型的PCB样板中的三种不同输入功率的比较法就可以实施了。输入功率由在400Ma,700mA，900mA的工作电流下得到，相应的功率为1.2W,2.2W,2.9W。测试时间设定为两个小时。测试电阻Rx（R1，R2，R3，R4）用测试软件及用到的统计学自动测量获得。在试验装置中，LED灯由直流电源提供电源。LED灯的温度由四对T型热电偶（在100℃的误差为±0.5℃）测量得到。热电偶T1位于周围环境中。热电偶T2位于LED表面。热电偶T3位于灯的散热器中。热电偶T4位于灯的肢体中。三对热点偶（T23试验结果和分析图2大功率LED的导热系数3.1导热系数的值：图2表达了大功率LED的导热系数。为了使导热系数更加精确，它需测量三次，然后取平均值得出。三次的导热系数分别为-2.3579mV/℃,-2.838mV/℃and-2.4583mV/℃,平均值为-2.5514mV/℃。就得到了大功率LED的热导系数。3.2工作电流对结温的影响结温对于评估设计和PCB的大功率LED灯热控制的可靠性起决定性作用。所以LED的结温需要重点检查。图3工作电流对结温的影响图3展示了工作电流I(mA)对结温Tj（℃）的影响。显然在相同的PCB中，结温随工作电流的增大而增大。高结温是由热负荷的累积造成的。因此，影响PCB结温很大程度上决定于LED工作电流。同样的，图3展现了定制的PCB板壁商业铝制板的结温好的多，及时工作电流有所改变。因为定制的PCB板的导热系数比商业铝制板高，热量能很快的传导到散热器。因此，LED结温直接与PCB的导热导系数有关。较高的导热系数能传导热量，使结温变低。在图3中，当工作电流为400mA时，定制的PCB板的结温最小值为52.9℃，而商业铝制板为63.1℃，两个温度值值差为10.2℃。当工作电流为900mA时，定制的PCB板的结温最小值为98℃，而商业铝制板为103.3℃3.3工作电流对PCB热变电阻的影响热变电阻是PCB散热的一个重要的参量。工作电流的增加将导致PCB热变电阻的一些改变。图4工作电流对PCB热变电阻的影响工作电流I（mA）对PCB热变电阻的影响Rjc(℃/W),如图4所示。三块定制板标记为P1，P2和P3，商业铝制PCB板标志为D1。可以看到当大功率LED的工作电流恒定时，定制PCB板的最低热变电阻是1.3℃/W，但商业铝制板达到53.4不同电流对PCB热变电阻百分比的影响图5工作电流对PCB热变电阻的影响图5展示了工作电流对热变电阻占整个LED灯的百分比的影响。在图5中，PCB热变电阻的最高百分比P（%），在整个大功率LED灯中只占5%，还可以看到通过减少热变电阻不能使LED结温明显的降低。如果盲目的减少热变电阻，整个额LED灯的散热就不能有很大的提高。然而，较低的热变电阻可以与较小的散热器相匹配，所以减少LED灯的尺寸，重量和费用是很有前景的。4总结我们研究了四种LED灯中的PCB板。在所有LED灯的散热途径中，PCB有最小的热阻抗。有不同热变电阻的PCB板展现了对结温的不同影响。有较低热变电阻的PCB板对降低结温有较小的优势。然而，有较低热变电阻的PCB板可以和较小和轻巧的散热器一起使用。因此，定制PCB板的使用价值没有影响到降低结温的自由度，但降低了对散热器的依赖性。较低的热变电阻和便携式散热器的匹配使用可以获得更小和更轻巧的LED灯。参考文献：[1]DalA.Steigerwald,JeromeC.Bhat,DaveCollins,etal.IlluminationwithSolidState[2]LinYuanchang,NguyenTran,ZhouYan,etal.MaterialschallengesandsolutionsforthepackagingofhighpowerLEDs[C].2006InternationalMicrosystems,Packing,AssemblyConferenceTaiwan,2006:1-4.[3]adBergh,GeorgeCraford,AnilDuggal,etal.ThePromiseandChallengeofSolidStateLighting[J].PhysicsToday,2001,54(12):42-47.[4]HsuT,HanWK,ChenC,etal.DesignofmultichipsLEDmoduleforlightingapplication[J].Proc.SPIE,2002,4776:26-33.[5]WANGDuoxiao,LIJia.TheresearchofhighpowerLEDpackagingtechnology[C].2008fifteenthsessionofChinaInstituteofElectronics,electroniccomponents,AnnualConference,2008:141-150(inChinese).[6]TheRepublicofChinaMinistryofInformationIndustry2355-2005,semiconductorlightemittingdevicetestingmethod[S].Beijing:ElectronicIndustryPress,2005(inChinese).[7]EationalOrganizationforStandardization.MIL..STD..750DNotice3Method3101.3ThermalImpedance(Response)TestingofDiodes[S].2006.[8]TheLEDlampthermalanalysisandthermaldesign[J].ChinaLighting,2008,12:17-19(inChinese).基于C8051F单片机直流电动机反馈控制系统的设计与研究基于单片机的嵌入式Web服务器的研究MOTOROLA单片机MC68HC（8）05PV8/A内嵌EEPROM的工艺和制程方法及对良率的影响研究基于模糊控制的电阻钎焊单片机温度控制系统的研制基于MCS-51系列单片机的通用控制模块的研究基于单片机实现的供暖系统最佳启停自校正（STR）调节器单片机控制的二级倒立摆系统的研究基于增强型51系列单片机的TCP/IP协议栈的实现基于单片机的蓄电池自动监测系统基于32位嵌入式单片机系统的图像采集与处理技术的研究基于单片机的作物营养诊断专家系统的研究基于单片机的交流伺服电机运动控制系统研究与开发基于单片机的泵管内壁硬度测试仪的研制基于单片机的自动找平控制系统研究基于C8051F040单片机的嵌入式系统开发基于单片机的液压动力系统状态监测仪开发模糊Smith智能控制方法的研究及其单片机实现一种基于单片机的轴快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于双单片机冲床数控系统的研究基于CYGNAL单片机的在线间歇式浊度仪的研制基于单片机的喷油泵试验台控制器的研制基于单片机的软起动器的研究和设计基于单片机控制的高速快走丝电火花线切割机床短循环走丝方式研究基于单片机的机电产品控制系统开发基于PIC单片机的智能手机充电器基于单片机的实时内核设计及其应用研究基于单片机的远程抄表系统的设计与研究基于单片机的烟气二氧化硫浓度检测仪的研制基于微型光谱仪的单片机系统单片机系统软件构件开发的技术研究基于单片机的液体点滴速度自动检测仪的研制基于单片机系统的多功能温度测量仪的研制基于PIC单片机的电能采集终端的设计和应用基于单片机的光纤光栅解调仪的研制气压式线性摩擦焊机单片机控制系统的研制基于单片机的数字磁通门传感器基于单片机的旋转变压器-数字转换器的研究基于单片机的光纤Bragg光栅解调系统的研究单片机控制的便携式多功能乳腺治疗仪的研制基于C8051F020单片机的多生理信号检测仪基于单片机的电机运动控制系统设计Pico专用单片机核的可测性设计研究基于MCS-51单片机的热量计基于双单片机的智能遥测微型气象站MCS-51单片机构建机器人的实践研究基于单片机的轮轨力检测基于单片机的GPS定位仪的研究与实现基于单片机的电液伺服控制系统用于单片机系统的MMC卡文件系统研制基于单片机的时控和计数系统性能优化的研究基于单片机和CPLD的粗光栅位移测量系统研究单片机控制的后备式方波UPS提升高职学生单片机应用能力的探究基于单片机控制的自动低频减载装置研究基于单片机控制的水下焊接电源的研究基于单片机的多通道数据采集系统基于uPSD3234单片机的氚表面污染测量仪的研制基于单片机的红外测油仪的研究96系列单片机仿真器研究与设计基于单片机的单晶金刚石刀具刃磨设备的数控改造基于单片机的温度智能控制系统的设计与实现基于MSP430单片机的电梯门机控制器的研制基于单片机的气体测漏仪的研究基于三菱M16C/6N系列单片机的CAN/USB协议转换器基于单片机和DSP的变压器油色谱在线监测技术研究基于单片机的膛壁温度报警系统设计基于AVR单片机的低压无功补偿控制器的设计基于单片机船舶电力推进电机监测系统基于单片机网络的振动信号的采集系统基于单片机的大容量数据存储技术的应用研究基于单片机的叠图机研究与教学方法实践基于单片机嵌入式Web服务器技术的研究及实现基于AT89S52单片机的通用数据采集系统基于单片机的多道脉冲幅度分析仪研究机器人旋转电弧传感角焊缝跟踪单片机控制系统基于单片机的控制系统在PLC虚拟教学实验中的应用研究基于单片机系统的网络通信研究与应用基于PIC16F877单片机的莫尔斯码自动译码系统设计与研究基于单片机的模糊控制器在工业电阻炉上的应用研究基于双单片机冲床数控系统的研究与开发基于Cygnal单片机的μC/OS-Ⅱ的研究基于单片机的一体化智能差示扫描量热仪系统研究基于TCP/IP协议的单片机与Internet互联的研究与实现变频调速液压电梯单片机控制器的研究基于单片机γ-免疫计数器自动换样功能的研究与实现基于单片机的倒立摆控制系统设计与实现单片机嵌入式以太网防盗报警系统基于51单片机的嵌入式Internet系统的设计与实现单片机监测系统在挤压机上的应用MSP430单片机在智能水表系统上的研究与应用基于单片机的嵌入式系统中TCP/IP协议栈的实现与应用单片机在高楼恒压供水系统中的应用基于ATmega16单片机的流量控制器的开发基于MSP430单片机的远程抄表系统及智能网络水表的设计基于MSP430单片机具有数据存储与回放功能的嵌入式电子血压计的设计基于单片机的氨分解率检测系统的研究与开发锅炉的单片机控制系统基于单片机控制的电磁振动式播种控制系统的设计基于单片机技术的WDR-01型聚氨酯导热系数测试仪的