LED 照明灯原理及散热解决方案

LED照明灯原理及散热解决方案Sepember,2014Made:Agul_YaoKS-RD|PTD1|THMLDep.LED照明灯外形发光二极管简称为LED。由含镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）、硅（Si）等的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。LED发光原理LEDPN结及其基本构造LED驱动电路LED驱动需采用恒流驱动,电流的波动,会对LED发热造成很大的影响.LED散热的必然性散热好坏直接关系LED寿命及光输出:在大功率LED中，散热是个大问题。若不加散热措施，则大功率LED的器芯温度会急速上升，当其结温（TJ）上升超过最大允许温度时（一般是125/150℃），大功率LED会因过热而损坏。再者,过高的温度会导致LED灯发光效率衰减.因此在大功率LED灯具设计中，最主要的设计工作就是散热设计。LED散热途径1.从空气中散热2.热能直接由基板导出3.经由金线将热能导出4.若为共晶及Flipchip制程，热能将经由通孔至系统电路板而导出LED热系统结构及热阻网络大功率LED灯散热选择为了解决日益严重的热问题，进行大功率LED设计时，需要从提高内量子效率、改进导热结构、合理选择界面材料和填充材料、选取高导热基板、进行热阻预估和测量和延缓荧光粉热退化等方面来进行热设计。

目前LED路灯的散热方式主要有：自然对流散热、加装风扇强制散热、热管和回路热管散热等。加装风扇强制散热方式系统复杂、可靠性低，热管和回路热管散热方式成本高。而路灯具有户外夜间使用、散热面位於侧上面以及体型受限制较小等有利於空气自然对流散热的优点，所以LED路灯更偏向于选择自然对流散热。良好换热的要求:1.良好的散热材料.2.散热面积大小与散热成正比.3.整个散热通路没有瓶颈.LED封装与散热大功率LED封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面，如图所示。这些因素彼此既相互独立，又相互影响。其中，光是LED封装的目的，热是关键，电、结构与工艺是手段，而性能是封装水平的具体体现。

LED封装的功能主要包括：

1.机械保护，以提高可靠性

2.加强散热，以降低晶片结温，提高LED性能

3.光学控制，提高出光效率，优化光束分布

4.供电管理，包括交流/直流转变，以及电源控制等。封装材料与散热LED封装热阻主要包括材料(散热基板和热沉结构)内部热阻和介面热阻。散热基板的作用就是吸引晶片产生的热量，并传导到热沉上，实现与外界的热交换。在把LED连接到散热器之前，首先要把它们焊接到电路中去，因为首先要把这些LED连接成几串几并，同时还要把他们和恒流源在电路上连接起来。最简单的办法是把它们直接焊接到普通印制板上去。对于一些很小功率的LED，例如LED指示灯的确是可以这样做的。但是对于大多数高亮度和高功率LED来说，普通玻璃纤维印制板的导热性能就显得太差了，而必须改成用铜基板或铝基板甚至陶瓷覆铜板。封装材料与散热2目前大多数的LED灯具中都采用了铝基板。铝基板上电路的铜箔为了要导电和导热要有足够的厚度和宽度，其厚度在35μm-280μm之间。其宽度最好尽可能布满整个基板，以便把热传下去。而下面一层绝缘体则要求其绝缘性能很好，而且还要导热性能很好。然而这两个性能是矛盾的，通常都是导体的导热性能好，而绝缘体的导热性能差。又要导热好又要绝缘好是很难做到的。也是一种科研的课题。1.硅基倒装芯片(FCLED)结构传统的LED采用正装结构，上面通常涂敷一层环氧树脂．下面采用蓝宝石作为衬底。由于环氧树脂的导热能力很差。蓝宝石又是热的不良导体，热量只能靠芯片下面的引脚散出，因此前后两方面都造成散热困难．影响了器件的性能和可靠性。2.倒装芯片(FC‐LED)结构区别于传统LED外延采用的蓝宝石衬底，倒装后LED芯片通过凸点倒装连接到硅衬底上，蓝宝石面朝上。其优势在于热量不必经由芯片的蓝宝石衬底,而是直接传到热导率更高的硅或陶瓷衬底，再传到金属底座。由于其有源发热区更接近于散热体,可降低内部热沉热阻。封装结构与散热3.垂直结构垂直结构的LED芯片的两个电极分别在LED外延层的两侧，电流几乎全部垂直流过LED外延层，极少横向流动的电流。垂直结构主要采用激光剥离技术来制作垂直结构LED，激光剥离技术（LLO）是利用激光能量分解GaN/蓝宝石界面处的GaN缓冲层，从而实现LED外延片从蓝宝石衬底分离。外延片转移到高热导率的热沉上并改善大尺寸芯片中电流扩展。目前，除转移到硅衬底外，更高散热效率的合金材料也正在被研究来做为转移衬底。封装结构与散热2不同散热方式的LED大功率LED散热基本参数LED芯片的散热方式主要是传导和对流，按照目前发光管管芯材料的耐温水平,通常结温不能大于125℃(K2系列产品的结温已达到150℃)。结温的表达式为：

热阻Rja散热器设计对于对流散热来说，其基本公式如下：Q=h•A•△T散热器采用鳍片的形状是为了加大散热面积。以利于辐射散热和对流散热。散热器的最重要指标就是它的散热面积A，但是散热器的不同部位的散热效果是不同的。在根部的散热效果就差，而在顶部的散热效果就好。所以散热器有一个有效散热面积。它通常是实际面积的70%左右。从经验得出，一般要散1W功率的热量大约需要50-60平方厘米的有效散热器面积。为了加大散热面积，通常会采用增加高度的方法。散热器设计2从图中可以看出，在一定高度范围内，结温值随高度增加而降低，但高度增加到一定程度以后其作用会越来越小。而且高度增加到一定程度后，结温不但不再降低，反而会升高。这是因为空气在沿长度方向的流动受到阻碍所致（主要对于垂直放置的鳍片为如此）。所以对于散热器来说，除了加大面积以外，如何加速空气的对流是很重要的事，尤其是像LED路灯这类安装在室外的路灯更为重要。由于室外的风向是不定的，为了在各种风向情况下都能有很好的对流，最好采用针状鳍片散热器。但这也减小了其等效散热面积很大的百分比。珠海南科首次把针状散热器应用至LED路灯中，据说这可以使LED的结温降低15度以上，提高了LED的寿命。路灯散热器往往由于灰尘和鸟粪的积累而使其散热效果大为降低，所以通常采用朝下安装的方法来避免，但是这样做又会使空气对流的效果降低，因为热空气是向上流动的。通常要在安装时有一个倾斜角来改善。散热器设计3目前几乎绝大多数的LED灯具都是采用自然空气对流来散热的。然而，对流的散热效果是和空气的流速是有密切关系的。利用强迫风冷散热可以有效地解决散热问题，同时提高LED灯具功率。目前最大功率的LED灯具要算是LED路灯了。LED路灯和电脑最大的差别就是它是安装在室外的十分恶劣的环境条件下的。如果采用风扇，那么这种风扇也必须能够承受十分恶劣的环境条件。例如必须能够防水、防潮、防尘，能够承受高低温的考验，等等…。而且它本身不能消耗很大的功率。据说Sunon推出过号称全球最小、最薄、耗电量最低的“毫米科技风扇与鼓风扇MightyMiniFan&Blower。并用于各种功率的LED灯具。例如，应用于LED球泡灯，就可以突破9W的瓶颈限制而达到15W的水平。同时展示全新“One-module”概念所设计的LED散热模块，将LED灯具散热模块化，一款散热模块可应用于多款LED灯具，简化客户端的设计流程，预计推出可散热7-15W、10-25W、25-40W几种功率水平。可应用于LED球灯、筒灯、MR16投射灯、LED轨道灯等各式LED应用产品的散热。散热器设计4散热设计中可能存在的问题1.散热鳍片面积随意设定。2.散热鳍片布置方式不合理，灯具散热鳍片的布置没有考虑到灯具的使用方式，影响到鳍片效果的发挥。3.强调热传导环节、忽视对流散热环节，尽管众多的厂家考虑了各种各样的措施：热管、加导热硅脂等，却没有认识到热量最终还是要依靠灯具的外表面积散走。4.忽视传热的均衡性，如果鳍片的温度分布严重不均匀，将会导致其中一部分的鳍片（温度较低的部分）没有发挥作用或作用很有限。

2009年6月11日，夏普公司宣布将以实际售价不到4000日元的低价格为卖点进军LED灯泡市场。这一价格的设定约为当时LED灯泡市售价格的一半。在2009年3月开始销售LED灯泡的东芝照明迅速做出反应，于夏普产品发布的11天之后，发布了与夏普同在7月15日上市的新型低价LED灯泡产品。以下以这两款为例分析LED灯散热结构LED散热实例从外部来看，LED灯泡的特征可以说是提高了散热性的结果。从侧面看LED灯泡，整体下侧的一半以上为散热器。东芝照明、夏普都采用了铝合金铸件制造的散热器。比较二者的散热器，除颜色外，形状差异也非常明显。在高度方面虽然夏普产品稍微多些，但散热器沟道面积则是东芝照明的较大。东芝照明产品的沟道深度从下到上逐渐递增，而夏普的则是上下基本等高。散热器的表面积越大，散热性能越高。在外形尺寸有限的情况下，加大沟道深度是增加表面积的方法之一，但随着沟道深度的增加，电源电路底板、树脂壳等的内部安装空间会随之减少.东芝照明的散热器内部空间为圆柱形，夏普产品则为接近外形的圆锥形。树脂壳在保持绝缘性的同时，把电源电路底板安装在灯泡壳体上。LED散热实例分析LED灯泡的主要结构：东芝照明LED灯泡散热器（外壳）的圆筒侧面有16片直角三角形沟道，上覆圆板。上面直接固定LED基片。电源电路底板固定在杯状树脂壳中，从散热器下方插入。另一方面，夏普LED灯泡的散热器呈有锥度的圆筒形状，表面安装有60片高度不到几mm的叶片。LED基片固定在散热器上方覆盖的圆板状金属板上。电源电路底板固定在散热器上方插入的圆锥形（但侧面大部分镂空）树脂壳A中。LED散热实例分析2夏普照明的产品，7.5W（日光色、总光通量560lm）额定功耗产品的LED基片上配备了6个LED封装。电源电路底板之间的布线采用焊接方式连接。LED基片通过3颗螺丝固定在金属板上。固定LED基片的不是铝合金铸件制造的散热器，而是另外的金属板。用这种金属板固定LED基片，两者的贴合性能有可能不够充分，所以需要使用导热硅脂。电源电路底板之间的布线采用焊接方式连接。LED散热实例分析3东芝