热量对高亮度LED影响分析及最新热管理解决方案
?在全球性的能源短缺和环境污染加剧的今天,LED以其节能环保的特点有着广阔的应用空间。根据CREE XLamp XR-E 的测试报告,LED器件温度越低,越能延长LED灯的寿命。因此,解决热量管理问题已成为高亮度LED应用中的关键。
一般来说,LED灯工作是否稳定,品质好坏,与灯体本身散热至关重要,市场上的高亮度LED灯具由LED器件、散热结构、驱动器、透镜组成。为了争夺市场控制制造成本常常采用自然散热方式,效果并不理想。而LED器件散热效果又直接影响其使用寿命及亮度效果。
散热设计的重要性
LED本身是半导体器件,所有半导体器件正常工作都有一定的温度要求,包括环境温度和工作温度。一般半导体器件正常工作的环境温度都要低于80度,当LED内部的PN结温度到达140度的时候,就会失效。这如同于各位身边的每一件电子产品,如:电视机、显示器、计算机主机等。不正确的散热设计会直接导致LED寿命缩短和加快光衰速度。对于LED灯而言,良好的散热设计温升最好控制在35以下。结温80以下。在此种环境下LED灯其理论寿命可达到50000H以上。
目前主流散热设计方案
现在主要有以下几种散热方法:
铝散热鳍片:这是最常见的散热方式,用铝散热鳍片做为外壳的一部分来增加散热面积。
导热塑料壳:在塑料外壳注塑时填充导热材料,增加塑料外壳导热、散热能力。
空气流体力学散热:空气流体力学利用灯壳外形,制造出对流空气,这是最低成本的加强散热方式。
风扇灯壳内部用长寿高效风扇加强散热:造价低,效果好。不过要换风扇就是麻烦些,也不适用于户外,这种设计较为少见。
导热管散热技术:导热管利用导热管技术,将热量由LED芯片导到外壳散热鳍片。在大型灯具,如路灯等这是常见的设计。
表面辐射散热处理灯壳表面做辐射散热处理:简单的就是涂抹辐射散热涂料,可以将热量用辐射方式带离灯壳表面。
LED灯散热新方式
均热板(Vapor Chamber)能实现超高热流密度传热,可解决高功率LED的热点问题。均热板是一个内壁具微结构的真空腔体,当热由热源传导至蒸发区时,腔体里面的工质会在低真空度的环境中,便会开始产生液相气化的现象,此时介质吸收热能并且体积迅速膨胀,气相的介质会很快充满整个腔体。当气相介质接触到一个比较冷的区域时便会产生凝结的现象,藉由凝结的现象释放出在蒸发时累积的热,凝结后的液相介质会藉由微结构的毛细现象再回到蒸发热源处。此运作将在腔体内周而复始进行,这就是均热板的运作方式。由于工质在蒸发时微结构可以产生毛细力,所以均热板的运作可不受重力的影响。
图1:采用均热板LED灯的散热结构去掉了基底。
图1给出了采用均热板的LED灯的散热结构,它去掉了基底,减少一大部分热阻。 LED器件可以紧密排列并直接绑定在均热板上,并以标准打线封装机台直接封装LED器件及相关电路,构建成一个独立光源。
这种将LED器件直接绑定在均热板上的方法有明显的好处。LED器件的下方与均热板接触,可以通过均热板把点热源扩散并可有效地将热传递至后端,从而降低热点溫度Tj,提高LED寿命。此外,这种方法还可集中摆放LED器件,让光源集中,有利二次光学设计。而采用SMD封装的均热板还可以使用SMD自动化设备进行大批量生产。
图2给出了采用均热板的高功率LED灯(将总功率为50W的多个LED直接绑定在均热板)与采用铜基底的同样功率LED灯的温度对比。
图2:采用均热板(VC)和采用铜基底(Cu)的高功率LED灯的温度对比。
除了应用在高功率LED路灯外,目前均热板解决方案还主要用在功率半导体冷却、刀片服务器、图形显示卡、电信基础设施、功放、雷达发射模块、卫星和笔记本电脑上。迈科的均热板的尺寸和形状可定制,其最低热阻已低至每瓦0.05度,厚度小于3mm。该公司还开发了能处理300W热功率以上的均热板来解决高端图像卡的散热问题。超薄设计可提供3.0mm厚度均热板可为单插槽图像卡提供150W的散热能力。
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