LED制造技术与应用(十二)

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1、LED制造技术与应用,(十二) 与LED应用有关的技术问题介绍,2012-5-9,与LED应用有关的技术问题介绍 一. LED的驱动方式 二. LED的散热技术 三. LED的光学设计 四. LED的防静电控制,2. LED的驱动方式,LED的驱动方式一般使用恒定电流源和恒定电压源进行控制。,图2.1 LED的恒流驱动(串联),图2.2 LED的恒流驱动(并联),2-1 LED的恒定电流源驱动：,分选，测试,2-2 LED的恒定电压源驱动：,图2.1 LED的恒压驱动(串联),图2.2 LED的恒压驱动(并联),每种驱动方式均有优缺点，根据LED产品的要求、应用场合，合理选用LED驱动方式，精

2、确设计驱动电源成为关键。 一般的整流电路的输出电压随着电网电压的波动也会变化，由此可知，采用恒压源驱动不能保证LED亮度的一致性，并且影响LED的特性。 因此，LED驱动通常采用恒流源驱动。 理想的LED驱动方式是采用恒压、恒流方式，但驱动器的成本会增加。,2-3-1 镇流电阻方案。,2-3 典型LED驱动电路(实现恒流，恒压的电路),2-3-2 镇流电容(降压)电路,2-3-3 线性恒流驱动电路,2-3-4、开关恒流驱动电路,与LED应用有关的技术问题介绍 一. LED的驱动方式 二. LED的散热技术 三. LED的光学设计 四. LED的防静电控制,3-2 热量传递的三种基本方式：,4、

3、LED散热技术介绍,LED的热流模型,所以从芯片产生的热量到空气的总热阻就应该是：Rja=Rj1 + (Rj2 + Rj3 + Rj4) + Rj5 + Rj6 + Rj7,Rj1：芯片基板的热阻,Rj2：焊料的热阻,Rj6：铝基板PCB的热阻,Rj4：导热硅胶的热阻,Rj7：散热器热阻,Rj5：热沉的热阻,Rj3：焊料的热阻,4-1 晶片层级散热技术-衬底的选择 4-2 封装层级散热技术-热沉的选择 4-3 PCB层级散热技术 4-4 界面散热技术,4-5 系统模组层级散热技术(散热片设计),热传导,热对流,热辐射,4-5 系统模组层级散热技术(散热器设计),目前常用的散热技术有风冷、水冷、

4、微管道散热、热管技术等。,(a)风冷散热器的原理很简单:芯片耗散的热量通过粘接材料传导到金属底座上，再传导到散热片上，通过自然对流或强制对流把热量散发到空气中。传导和对流是两种主要的传热方式。 1、 采用导热性能好的材料作散热器：常用的散热器材主要是铝和铜。 2、 增大散热器的散热面积：散热面积越大，其热容量越大。为提高换热系数，可采用波纹状肋面制造紊流。 3、 强迫风冷：选择合适的风扇或鼓风机，加快散热片周围空气的流动，可以改善气流组织，提高对流换热系数，从而改善散热效果。 (b) 水冷又称为液冷。它的散热效率高，热传导率为传统风冷方式的20倍以上，且无风冷散热的高噪音，能较好地解决降温和降

5、噪问题。水冷散热装置大致可分为微型水泵、循环管、吸热盒和散热片四个部分。,4-5-1常用的散热器技术,用导热性能好的材料 散热器的整个有效面积要考虑的因素 散热片之间的距离 散热片的长度 散热片的厚度 散热片的摆放位置 用放热系数较大的表面处理 为了保证模组和散热器之间的热传导, 要用导热介质 。,4-5-2 散热器设计需要考虑的因素,需要考虑的因素,(1) 用导热性能好的材料,LED散热选材原则: 导热性能好相对其它固体材料，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； 易获取金属，但供货量大，不需特殊工序，价格也相对低廉；,铝的导热系数较高，加工性能好，

6、表面处理技术成熟且成本低廉，现阶段主要通过铝制散热器进行散热。铝制散热器表面处理技术成熟，可通过阳极氧化来提高表面辐射率，增加辐射热交换。,如上图，在LED背面铝基板加散热U型板或者类似可以直接传导散热的导热材料，这种方法适用于10瓦以下的散热设计，但这种方式的散热部件必须有足够小的热阻和足够大的散热面积。,(2)散热器的整个有效面积要考虑的因素,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。

7、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。,上图是台湾产的一个样灯，是40瓦LED的散热设计，利用增加和空气的接触面积来给LED散热，保证了LED的光效和寿命。,为了加大散热面积，通常会采用增加高度的方法。但是，高度增加到一定程度以后其作用会越来越小。下图表明增加高度对于降低结温的影响的一个例子。由图中可以看出，高度增加到40mm以后，结温的降低就很慢了。,LED结温随散热器的高度增加而降低,(3)散热片的厚度,加大长度也是加大面积的一个方法。但是并不是长度越长越好。 由图可知长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

8、受到阻碍所致(主要对于垂直放置的鳍片为如此)。,结温和长度的关系,(4)散热片的长度,(6) 用放热系数较大的表面处理，提高发射率。 (铝一般用喷漆或者阳极氧化),辐射散热能力提升主要通过提高散热器表面发射率来实现，常用方法是表面做涂漆，喷沙提高粗糙度，阳极氧化等措施。辐射对散热在自然散热条件下有一定影响，强迫空冷基本没有效果，并且一般散热器发射率的差异不大，在产品中一般不作重点考虑。,(5)散热片的摆放位置,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。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。,针状散热器,珠

9、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。,(7)增加对流,(8)采用强制风冷散热,15WLED中LED结温和风速的关系,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。,最近台湾Sunon公司推出全球最小、最薄、耗电量最低的“毫米科技风扇与鼓风扇MightyMini Fan 静电就是静止不动的电荷,它一般存在于物体的表面,正负电荷在局部范围内失去平衡的结果。 静电放电(ElectroStatic Discharge, ESD); 处于不同静电电位的两个物体间的静电电荷的转移

10、就是静电放电。,1. 静电的概念,2. 静电的物理解释,以下项目会导致静电产生： 摩擦，碰撞，剥离； 静电感应； 传导;,3. 静电产生的途径,以下项目会导致静电增加： 低湿度(空气干燥)； 一定的活动； 快速运动； 所接触的材料类型。,4. 静电的危害,以PN结结构为主的LED，在制造、筛选、测试、包装、储运及安装使用等环节，难免不受静电感应影响而产生感应电荷。若得不到及时释放，LED的两个电极上形成的较高电压将直接加上LED芯片的PN结两端。 当电压超过LED的最大承受值后，静电电荷将以极短的瞬间（纳秒级别）在LED芯片的两个电极之间进行放电，功率焦耳的热量将使得LED芯片内部的导电层、P

11、N发光层的局部形成高温，高温将会把这些层熔融成小孔，从而造成漏电以及短路的现象。,5. LED静电击穿原理,图为静电击穿后的芯片,PN结是LED的基本结构，但由于材料不同，抗静电能力也不同。 首先，红色LED抗静电能力较强： 红色、橙色、黄色LED所用的材料主要是GaP与GaAs及其混晶GaAsP。这些化合物半导体禁带宽度在1.8-2.2eV之间，PN结易掺杂低阻性材料，其导电性能较好，当遇到静电电荷时候能较容易释放掉，故抗静电能力会好一些。 其次， 绿蓝色LED抗静电能力较弱： 绿色、蓝色LED的PN结附近材料是InGaN或者AlGaNlGaN，其禁带宽度为3.3eV，电阻率相对较高。再加上

12、这一类LED的衬底是用蓝宝石或碳化硅制成的，其导电性和导热性都很差。如蓝宝石衬底的蓝光LED的PN结电极是V型电极，电极之间的距离300m，积累的静电电荷很容易在该处发生自激放电。又由于AlGaNlGaN的发光层较薄，因此很容易被击穿。,6. LED抗静电特点,7. LED防静电的原则和方法,避免静电产生：设法消除一切可能出现的静电源； 2. 消除静电：设法加速静电荷的散逸泄露，防止静电荷的累积和放电。,LED生产，应用过程中的防静电原则：,LED生产，应用过程中的防静电方法：,接地法：接地能消除导体上的静电，接地电阻应小于100欧姆。绝缘体直接接地容易发生静电放电，应在绝缘体和大地之间保持1

13、0109欧姆的电阻；,2.泄露法：增加空气的温度可以降低绝缘体的绝缘性，增加静电通过绝缘体表面的泄放。采用导电橡胶或 喷涂导电塑料效果也很好。 3. 中和法：主要采用感应中和，离子风中和等方法将静电荷中和掉； 4. 工艺控制法：从工艺流程，材料选用，设备安装和操作管理等方面采取措施，对静电加以控制； 5. 消除人体的静电：穿戴防静电工作服和防静电鞋等。,Page 134135,See You Next Time!,三、外壳散热器设计：LED散热设计采用流体力学软件仿真以及做基础设计。 通常LED散热器的设计分为以下几步： A、根据实际需求以及相关约束条件设计轮廓图; B、根据相关散热设计准则对

14、散热器翅片的片厚、片形、间距以及基板厚度等进行优化; C、使用热分析软件对其进行设计验证以及校核计算。 一般自然散热需要考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果片间距太小，两个片的热边界容易交叉从而影响到表面对流。因此一般情况下，建议自然冷却的散热器片间距大于12MM，如果散热器翅片高低于10mm，可按照片间距=1.2片高来确认散热器的片间距。因为自然冷却方式的散热器表面的换热能力较弱，在散热片表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响，因此建议翅片表面无需增加太多波纹，可采用磷化处理来对表面做防腐处理还可以增大散热表面的辐射系数以增强辐射换热。还有一点必须注意，由于自然对流达热平衡时间相对来说比较长，因此自然对流散热器的基板以及翅片应足够后以抗击瞬态热负荷的冲击。目前还有LED灯具散热设计还有采用热管式以及加风扇强制对流式等方式。其设计各有优点和劣势，可根据需要采用性价比比较佳的方案来进行设计。,谢谢观看！ 2020,