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1、LED散热原理与技术简介LED散热原理与技术简介LED热学特性及散热分析产生热量的原因1图 (a)电子与空穴结合产生辐射复合,辐射光子能量为hvEg。 图(b)在非辐射复合中,电子与空穴结合后转化为晶格振动(以热量的形式表现) 在目前的技术条件下,不同波长的LED芯片中,非辐射复合百分比从1(红橙色)97 (深紫色)不等,因此芯片内量子效率为99(红橙色)3(深紫色)LED散热原理与技术简介产生热量的原因21. 芯片PN结处发出的光子在通过芯片表面的时候,由于芯片的折 射率远大于空气和封装用的硅胶,存在全反射的现象,导致到达 表面的光子被反射回芯片内部,最终转换成了热量。外量子效率 的定义为:
2、 ex 芯片发射出的光子数量/PN结产生的光子数量 。通常外量子效率从330不等(2008年)2. 制作白光单元的时候,由于荧光粉存在激发效率,也存在部分激 发能量转换为热量。3. 不合理的光学设计也会导致产品出光效率低下,为出射的光能转 化为热能。4. 因此综合上述原因,目前高亮度的LED产品仅有20左右的电能 最终转换为光能。LED散热原理与技术简介芯片的物理特性 芯片尺寸目前市场上技术比较成熟的功率型LED芯片尺寸都在 40mil(1mil1/25.4 in),约11mm2左右,其功率密度高达 1 w/m*2 。 芯片主要材料蓝绿光PN结: GaN/GaNIn,掺杂有In,Al等衬底:蓝
3、宝石/碳化硅/铜合金等LED散热原理与技术简介传统的照明器件不同,白光LED的发光光谱中不包括红外部分,所以 器件产生的热量不能依靠辐射释放出去,所产生的热量转化为使芯片本 身温度升高的升高的能量。单色LED光谱分布白炽灯光谱分布LED散热原理与技术简介散热的重要性1.温度对LED的影响荧光粉 光谱分布 光输出LED散热原理与技术简介1.1 温度对黄色荧光粉激发效率的影响LED散热原理与技术简介1.2 光谱分布对色温和色坐标影响LED散热原理与技术简介测量结果LED散热原理与技术简介1.3 LED光输出与结温的关系Cree公司的XLamp7090XRELED散热原理与技术简介不同厂家LED测量
4、结果LED散热原理与技术简介对于单个LED而言,如果热量集中在尺寸很小的芯片内 而不能有效散出,则会导致芯片温度升高,引起热应力的非均 匀分布、芯片的失效率也会上升。研究表明:当温度超过一定值,器件的失效率将呈指数 规律攀升,元件温度每上升2oC,可靠性下降10 。影响器件可靠性LED散热原理与技术简介散热技术研究热量传递基本方式 传导、对流、辐射 散热的基本方式 主动散热 被动散热LED散热原理与技术简介凡是有温度差的地方,就有热量自发地从高温物体传向低温物体, 或者从物体的高温部分传向低温部分。热量传递是自然界和生产技术中 一种非常普遍的现象。热量传递的基本方式三种热传递的基本方式 导热
5、对流 辐射LED散热原理与技术简介导热 : 物体各部分之间不发生相对位移时,依靠分子、原子及自由电子 等微观粒子的热运动而产生的热量传递称为导热(或者热传导)。基本公式为“Q= AT”。 其中: Q:单位时间内通过某一给定面积的热量,简称热流量。单位:W;:材料的热传导系数,单位:W/(m K) A代表传热的面积(或是两物体的接触面积),单位: T代表两端的温度差,单位:; 因此,从公式我们就可以发现,热量传递的大小与热传导系数、热传 热面积成正比,同距离成反比。LED散热原理与技术简介几种常见金属材料的热传导系数(20)LED散热原理与技术简介对流 : 对流指的是流体(气体或液体)与固体表面
6、接触,造成流体从固 体表面将热带走的热传递方式。热对流的公式为“Q=HAT”。 公式:Q依旧代表热量,也就是热对流所带走的热量;H为对流换热系数值,A则代表对流的有效面积;T代表固体表面与区域流体之间的温度差。因此热对流传递中,热量传递的数量同热对流系数、有效接触面 积和温度差成正比关系;在传递热量恒定的情况下,T越小,HA需要越大。LED散热原理与技术简介对流分为自然对流与强制对流:1、自然对流:由于流体冷热各部分的密度不同而引起,驱动力是温度差导致的密度差;2、强制对流:流动是受外在的强制驱动(如风扇带动的空气流动)或者其他压差所引起的。LED散热原理与技术简介辐射 : 不需要接触,就能够
7、发生热交换的传递方式,也就是说,热辐射其实就 是以波的形式达到热交换的目的。 特点: 1、热辐射是通过波来进行传递的,那么势必就会有波长、有频率。2、不通过介质传递就需要的物体的热吸收率来决定传递的效率了,这 里就存在一个热辐射系数,其值介于01之间,是属于物体的表面特性,热辐射的热传导公式:Q =ES (Ta4Tb4)”。 公式中:Q代表热辐射所交换的能力,E是物体表面的发射率。S是物体的表面积,是斯忒藩玻尔兹曼常量,即黑体辐射常数。Ta4Tb4则是表面a的温度同表面b之间的温度差。因此热辐射系数、物体 表面积的大小以及温度差之间都存在正比关系。 因此,温度差每增加一倍,换热能力提高16倍。
8、白炽灯工作温度为3000摄氏度左右,而LED路灯散热器温度仅为50摄 氏度左右。LED散热原理与技术简介依照从散热器带走热量的方式:主动式散热:通过风扇等散热设备强迫性地将散热片发出的热量带走,其特点是散热效率高,而且设备体积小。几种常见的主动散热方式:风冷散热、液冷散热、热管散热 、半导体制冷、化学制冷被动式散热:通过散热片将热源如CPU产生的热量自然散发到空气中,其 散热的效果与散热片大小成正比,但因为是自然散发热量,效果当然 大打折扣,散热的基本方式LED散热原理与技术简介目前,由于主动散热技术在可靠性、价格与使用寿命等方面还存在较 多的问题,因此,还不能成为LED产品的主流散热技术。但随着技术 与生产的发展,主动散热技术的应用会越来越多。LED产品目前最可靠、最经济的散热方式为被动自然对流散热。由于 被动自然对流先天存在换热系数低,对产品的安装位置有要求等缺陷 ,使得产品的体积变得庞大与笨重。目前解决被动自然对流散热技术的方法只有优化换热系数与面积。LED产品的散热方式LED散热原理与技术简介谢谢!LED散热原理与技术简介