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1、 LED 散热设计方案题 目： 大功率 LED 散热方案学 院： 电气信息学院学 生 姓 名： 李宇专 业： 测控技术与仪器学 号： 312010080401204指 导 教 师： 靳斌日期：2013 年 5 月 1 日第 1 页大功率 LED 散热方案摘 要：目前，随着 LED向着大功率方向发展，很多功率型 LED的驱动电流达到 70 mA、100 mA甚至 1 A，电流增大虽然能够提高 LED的亮度、功率，但是这将会引起芯片内部热量聚集，导致发光波长漂移、出光效率下降、荧光粉加速老化以及使用寿命缩短等一系列问题。业内已经对大功率 LED的散热问题作出了很多的努力：通过对芯片外延结构优化设计
2、，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 110 W级的水平，散热能力仍亟待提高。相当多的研究将精力集中于寻找高热导率热沉与封装材料，然而当 LED功率达到 10 W以上时，这种关注遇到了相当大的阻力。即使施加了风冷强对流方式，牺牲了成本优势，也未能获得令人满意的变化。讨论在现有结
3、构、LED 封装及热沉材料热导率等因素变化对于其最大功率的影响，寻找影响 LED散热的关键因素。研究方法为有限元热分析法该方法已有实验验证了 LED有限元模型与其真实器件之间的差别，证明其在误差许可范围内是准确可行的。关键词：散热，LED ，结构第 2 页创建节约型社会已经成为共识，建筑中采用节能型照明系统也已成为一种趋势。目前，大功率 L E D 在发光效率、使用寿命 、光输 出特性、显色性能以及绿色无污染等方面具有独特的优势 ，成为具有极强竞争力的新型优质光源，然而在决定大功率 L E D 能否广泛应用的几个关键技术中，散热设计是非常重要的一环。也就是说，散热设计的好坏将直接决定大功率 L
4、 E D 的性能指标优以及实际的推广应用能否获得成功。考虑热导率与散热方式的影响，使用大型有限元软件 ANSYSl0.0模拟并分析了大功率 LED 热分布。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。第 3 页1 建立模型2.2 几何模型的建立第 4 页2 3 有限元模型的建立1 LED 模型中各材料的参数值3 分析各种因素对于散热能力的影响3.1 热辐射系数对 LED 散热的影响图 2 为表面黑度为 0.8 时的温度云图。根据斯蒂芬-玻耳兹曼定律，辐照度 j*与温
5、度 T 之间的关系：j*=T4 。其中 为黑体的辐射系数；=5.6710-8w(m2k4) ，称为斯蒂芬 -玻耳兹曼常数。因此可知，温度越高，辐照度越大。当输入功率为 1 W 时，经由表面辐射散出的热能第 5 页为 7.63104W，仅占总热功率的 1.63；功率达到 2 W 时，经辐射散出的热能也仅占 6.33。因此改变热辐射系数对于提高散热能力改善成效不大，散热的关键在于提高另外两种散热方式：热传递和热对流。尽管如此，仍有一些厂家将 LED 器件的外表面涂成黑色，以期最大限度地利用辐射散热。32 热导率对 LED 的散热的影响只考虑热传导与对流，改变不同封装填充材料如硅树脂得出结果，如图
6、3 所示。即使找到一种热导率高达 7 Wm-1K-1 的环氧树脂成分封装材料时，相比使用热导率为 0.25 Wm-1K-1 的环氧树脂成分封装材料时，第 6 页芯片温度下降不多，铝基板温度只下降了 2.271，最大功率仅提高了0.69 W。实际上，热导率值超过 7Wm-1K-1 以上、可商业化的透明硅树脂封装材料目前尚无文献报导。分布云图如图 4 所示。第 7 页 表 2 给出透镜热导率为 0.2 Wm-1K-1 时，不同热沉材料的导热系数对于 LED 最大功率影响。由表 2 看出，热沉材料对于 LED 的最大散热能力的影响很小。第 8 页 3 3 增加散热面积对 LED 散热的影响表 3 为
7、 3 种不同散热方式对 LED 的温度分布、最大功率的影响。可以看出，增加散热面积是很好的散热方式，可以轻易地提高 LED 器件散热能力，这是目前 LED 产品所普遍使用的散热方式之一。然而缺点也很明显：影响成本、增加产品重量、影响封装密度。无限度地提高LED 散热片面积显然不现实，因此一般使用 1.5inch2 散热片提升 LED产品最大功率至 10 W 左右，出于成本等因素就不能继续提高。34 对流方式对 LED 散热的影响常见对流散热方式有两种：自然对流和强制对流。固定结构的散热与表面传热系数有关。空冷方式时，不同传热系数对最大功率的影响如图 5所示。强对流方式在一定速度内会大大提高 L
8、ED 产品的散热能力，有助于第 9 页提高散热效果。 综上所述，无论是增加散热面积还是增加对流速度都不能无限制地提高散热能力，其原因在于：当散热结构、方式固定后，即使 LED导热率有所上升，也无法真正大幅度降低芯片温度；事实证明增加散热面积，可以促进散热。但由于成本限制，且不可能无限制地增加散热面积，因此，要提升 LED 产品的散热能力，关键要在最大努力增加散热面积时，寻找一种可以快速将上表面热量带走的散热方式。LED 的散热现在越来越为人们所重视，这是因为 LED 的光衰或其寿命是直接和其结温有关，散热不好结温就高，寿命就短，依照阿雷纽斯法第 10 页则温度每降低 10寿命会延长 2 倍。从
9、 Cree 公司发布的光衰和结温的关系图（图 1）中可以看出，结温假如能够控制在 65C，那么其光衰至70的寿命可以高达 10 万小时！这是人们梦寐以求的寿命，可是真的可以实现吗？是的，只要能够认真地处理它的散热问题就有可能做到！遗憾的是，现在实际的 LED 灯的散热和这个要求相去甚远！以致 LED 灯具的寿命变成了一个影响其性能的主要问题，所以必须要认真对待！而且，结温不但影响长时间寿命，也还直接影响短时间的发光效率，例如 Cree 公司的 XLamp7090XR-E 的发光量和结温的关系如图 2 所示。第 11 页假如以结温为 25度时的发光为 100%，那么结温上升至 60度时，其发光量
10、就只有 90%；结温为 100度时就下降到 80%；140 度就只有 70%。可见改善散热，控制结温是十分重要的事。除此以外 LED的发热还会使得其光谱移动；色温升高；正向电流增大（恒压供电时）；反向电流也增大；热应力增高；荧光粉环氧树脂老化加速等等种种问题，所以说，LED 的散热是 LED灯具的设计中最为重要的一个问题。LED发热的原因是因为所加入的电能并没有全部转化为光能，而是一部分转化成为热能。LED 的光效目前只有 100lm/W，其电光转换效率大约只有2030%左右。也就是说大约 70%的电能都变成了热能。第 12 页具体来说，LED 结温的产生是由于两个因素所引起的。1内部量子效率
11、不高，也就是在电子和空穴复合时，并不能 100都产生光子，通常称为由“电流泄漏”而使 PN区载流子的复合率降低。泄漏电流乘以电压就是这部分的功率，也就是转化为热能，但这部分不占主要成分，因为现在内部光子效率已经接近 90。2内部产生的光子无法全部射出到芯片外部而最后转化为热量，这部分是主要的，因为目前这种称为外部量子效率只有 30左右，大部分都转化为热量了。虽然白炽灯的光效很低，只有 15lm/W左右，但是它几乎将所有的电能都转化为光能而辐射出去，因为大部分的辐射能是红外线，所以光效很低，但是却免除了散热的问题。LED芯片的特点是在极小的体积内产生极高的热量。而 LED本身的热容量很小，所以必
12、须以最快的速度把这些热量传导出去，否则就会产生很高的结温。为了尽可能地把热量引出到芯片外面，人们在 LED的芯片结构上进行了很多改进。为了改善 LED芯片本身的散热，其最主要的改进就是采用导热更好的衬底材料。早期的 LED只是采用 Si硅作为衬底。后来就改为蓝宝石作为衬底。但是蓝宝石衬底的导热性能不是太好，（在 100C时约为25W/（m-K），为了改善衬底的散热，Cree 公司采用碳化硅硅衬底，它第 13 页的导热性能（490W/（m-K）要比蓝宝石高将近 20倍。而且蓝宝石要使用银胶固晶，而银胶的导热也很差。而碳化硅的唯一缺点是成本比较贵。目前只有 Cree公司生产以碳化硅为衬底的 LED
13、。4、 结语大功率 LE D 芯片工作时的结温高低与光通量、寿命的关系极为密切。为 了将高达 8 0 8 5 的热量散发掉，L E D 在封装时就需要采用科学的热流程设计和卓有成效的封装工艺。L E D 封装的一次散热设计是由 L E D 生产阶段的工艺来确定的。由于封装透镜材料几乎是不导热的，其作用是将芯片的光输出进行分配。芯片的热量主要是由高导热的材料 ( 内部热沉) 传导出后再通过外部散热器进行散热，因此 L E D 封装的一次散热设计就是针对其使用的要求和条件，通过内部热沉的科学设计将芯片产生的高热有效地传导给散热器。利用 ANSYS 软件对大功率 LED 进行三维有限元热分析，并绘制
14、了其受不同因素影响时器件的温度云图，通过比较各种因素对散热性能的影响，得出结论：在经过必要的选材优化后，对于材料热导率的追求只是对提高 LED 散热能力细枝末节地修改，想要大幅度地提高 LED 的散热能力，关键是增加散热面积与改变散热方式。第 14 页目前 LED的发光效率还是比较低，从而引起结温升高，寿命降低。为了降低结温以提高寿命就必须十分重视散热的问题。LED 的散热设计必须从芯片开始一直到整个散热器，每一个环节都要给于充分的注意。任何一个环节设计不当都会引起严重的散热问题。过去的 LED路灯在长期工作中的大量失效，一半以上是散热设计欠缺所引起，另一半是电源失效所引起。所以对散热的设计必须给以充分的重视。随着 LED的光效逐年提高，它的发热问题也会逐渐降低。相信总有一天我们会看到不需要散热器的 LED灯具的出现！
