大功率LED的散热研究设计方案.docVIP

大功率LED的散热设计方案 近年来，大功率LED发展较快，在结构和性能上都有较大的改进，产量上升、价格下降；还开发出单颗功率为100W的超大功率白光LED。与前几年相比较，在发光效率上有长足的进步。例如，Edison公司前几年的20W白光LED，其光通量为700lm，发光效率为35lm/W。2007年开发的100W白光LED，其光通量为6000lm，发光效率为60lm/W。又例如，Lumiled公司最近开发的K2白光LED，与其、系列同类产品比较如表1所示。从表中可以看出：K2白光LED在光通量、最大结温、热阻及外廓尺寸上都有较大的改进。Cree公司新推出的XLamp XR～E冷白光LED，其最高亮度挡QS在350mA时光通量可达107～114lm。这些性能良好的大功率LED给开发LED白光照明灯具创造了条件。 前几年，各种白光LED照明灯具主要是采用小功率Φ5白光LED来做的。如1～5W的灯泡、15～20W的管灯及40～60W的路灯、投射灯等。这些灯具使用了几十到几百个Φ5白光LED，生产工艺复杂、可靠性差、故障率高、外壳尺寸大，并且亮度不足。为改进上述缺点，这几年逐步采用大功率白光LED来替代Φ5白光LED来设计新型灯具。例如，用18个2W的白光LED做成的街灯，若采用Φ5白光LED则要几百个。另外，用一个1.25W的K2系列白光LED，可做成光通量为65lm的强光手电筒，照射距离可达几十米。若采用Φ5白光LED来做则是不可能的。 图1? 结温TJ与相对出光率关系图 用大功率LED做的灯具其价格比白炽灯、日光灯、节能灯要高得多，但它的节能效果及寿命比其他灯具也高的多。如果在路灯系统及候机大厅、大型百货商场或超市、高级宾馆大堂等用电大户的公共场所全部采用LED灯具，其一次性投资较高，但长期的节电效果及经济性都是值得期待的。 在节能和环保两大需求的强力推动下LED的应用己从早年的指示、显示和装饰逐步走向照明领域。大功率LED照明的实现方法主要有两种：一是直接封装5W以上的超大功率LED芯片二是通过多颗LED组合成超大功率LED阵列。超大功率LED芯片主要从国外或台湾进口价格很高。相比之下小功率芯片不仅国内货源充足组合成同样的功率价格也相对较低1。除此之外多芯片LED阵列还有独特的优势：通过不同LED芯片的串并联组合可以实现各种不同的额定电压和电流更好地适应驱动器设计单位面积的芯片数可多可少可以封装成各种不同的点和面光源可以加入不同颜色的发光芯片实现情景照明。目前比较成熟的商品化的大功率LED输入功率一般为1W芯片面积1mm1mm其热流密度达到了100W/cm2。如此高的热流密度如不采取有效的散热措施会使LED芯片结温过高减少芯片出射的光子发光效率降低另一方面结温的升高还会使芯片的发射光谱发生红移色温质量下降尤其是对基于蓝光LED激发荧光粉的白光LED器件更为严重荧光粉的转换效率也会随着温度升高而降低2。因此对大功率LED进行散热研究具有重要的理论和工程价值。 目前主要采用1～3W大功率白光LED作照明灯，因为其发光效率高、价格低、应用灵活。 　　大功率LED的散热问题 通过分析不同封装、热沉材料及散热方式对LED热分布与最大散热能力的影响，指出解决LED散热问题的关键不是寻找高热导率的材料，而是改变LED的散热结构或者散热方式。 光电子散热技术，同普通IT散热一样，传统的冷却方式包括：（1）带有或不带风扇的金属散热器；（2）带有或不带风扇的热管（或均温板 vapor chamber）与散热片结合的散热器。另一种可选方案是高热流密度热控制的液冷技术。尽管如此，上面提到的几种方式都各自存在固有的缺点，妨碍它们在大功率电子装置散热中的应用。例如，带风扇的散热片方式，如果增大散热量，则必须加大散热面积或是增加风扇转速，其后果是散热片超重或是系统噪声令人难以忍受。同时，脆弱的芯片所受压力也会增大。尽管结合热管可以改善散热片的传热性能，但对于大功率电子散热，其结构会变得过于复杂而无法应用，特别是对于超大功率散热更是如此。对于液冷方式，众所周知，是一种在散热能力和整体热阻方面相比空气直接冷却要高级的冷却方式。但现阶段，液泵的寿命和运行中的泄漏问题是这种技术在工业上进行商业推广的两个重要瓶颈。另外，一个闭路液冷散热器及其在设备中的安装都是很复杂的而且成本很高。 通过对芯片外延结构优化设计，使用表面粗化技术等提高芯片内外量子效率，减少无辐射复合产生的晶格振荡，从根本上减少散热组件负荷；通过优化封装结构、材料，选择以铝基为主的金属芯印刷电路板（MCPCB），使用陶瓷、复合金属基板等方法，加快热量从外延层向散热基板散发。多数厂家还建议在高性能要求场合中使用散热片，依靠强对流散热等方法促进大功率LED散热。尽管如此，单个LED产品目前也仅处于1～10