浅谈LED灯具的散热设计

By | 2020年7月24日

  1、媒介

  LED又称发光二极管(Light Emitting
Diode),属于半导体组件,自1962年美国通用电气公司开收回寰球第一种可实际使用的红光LED开端,至今LED已迈入全彩时代。LED的发光原理简略来讲是由含电洞之P型半导体与含电子之N型半导体连系成之P-N二极管,正在P-N二极管两端加之顺向偏偏压,当电畅通流畅过期,电子与电洞流至接合面接应时会放出能量而发光
(繁难图说以下)。

  

  图1. LED发光原理

  LED自身是单色光源,现在跟着光效晋升及蓝光LED的呈现,它的使用也逐步倾向多元化,从新近的低功率电源批示灯演进成LED背光模块以及LED照明…等高功率使用。LED被誉为21世纪的照明新光源,它具备效率高、寿命长、省动力、不容易破损、环保无汞…等传统光源无奈与之比拟的优点,正在节能减碳及环保认识蒸蒸日上之际,加之列国当局陆续宣示的动力政策(例如:美国2007年颁发的「动力自力以及平安法案」提出白炽灯禁历时程、日本2010年修订的「动力根本方案」提出减碳指标),使患上占生存用电年夜量比重的「照明」成为激励汰换的名目之一。动力趋向、当局法律与LED发光特点三者相乘作用之下,匆匆使LED照明工业的蓬勃倒退,也吸引了国际/外厂商关于LED上、中、上游工业的投入。

  LED好像一切电子整机普通,正在应用或运作的进程中城市孕育发生热能及温升景象,假如漠视散热成绩,将招致LED因低温而延迟废弃的后果。LED灯具的设计较传统灯具复杂,蕴含光学、机构、电子及散热,此中「散热」尤为首要,由于今朝高功率LED灯具的转换率仅有20%会转换成光,其他80%会转换为热,假如不克不及将热量导出灯具以外,将无奈达到LED光源声称的50,000小时寿命,同时热量会影响LED的发光效率,招致重大光衰及灯具毁损的惨况。

  2、LED灯具的散热设计

  LED的发光效率及寿命与工作温度毫不相关,出现正比关系,下图为美国 CREE 所公布的LED寿命陈诉,温度每一降落10
℃寿命将延伸2倍且光通量晋升3%~8%。

  

  图2. LED寿命陈诉 数据源:CREE

  因为高功率LED技巧的倒退,使患上LED灯具面对到热治理以及散热设计的严苛应战,由于温度降低岂但会造成亮度降落,当温度超越摄氏100度时更会减速灯具本体及封装资料的劣化。因而,除了了LED封装组件自身的散热技巧外,LED灯具的散热及导热设计更是维持灯具寿命的最年夜要害。

  LED使用于户外照明,其散热设计相较于其余LED终端产物(例如:LED背光面板、LED车用照明…等)更为复杂多元,由于LED灯具的操作环境会由于温度变动、沙尘量、湿度…等要素愈加严苛。以LED路灯为例,要可以长期于户外环境工作,不只必需合乎平安法例的要求
(例如:UL、CE…),更需达到克服光学特点稳固性(如、光衰变动)、沙尘侵袭、鸟粪沉积、空气中胶质悬浮物资及水气虹吸景象造成之防水防尘成绩等牢靠度及顽劣环境的考验。

  正在灯具设计方面,由LED蕊片、LED芯片基板、芯片封装、线路设计、零碎电路板、散热鳍片到灯具外壳再再都考验着LED工业上、中、上游的研发才能。传统用于批示灯的LED多为炮弹型构造,其周围以绝缘性环氧树脂(epoxy)进行封装,故LED晶粒所孕育发生的热能次要由下方的两根金属导线以传导形式往零碎电路板标的目的散出。但是当LED跨入照明畛域后,1W以上的高功率LED成为支流,也为了添加热传导面积,照明用处之LED改采平板式封装,使LED芯片基板以及零碎电路板能有较年夜的贴以及面积。

  

  图3. 炮弹型战争板式LED芯片

  今朝常见的LED芯片基板为陶瓷基板,其散热性佳,低收缩系数等特点,减低因热应力而孕育发生的变型,其次还具备耐热、耐潮、绝缘等优点,故陶瓷基板成为高功率照明用LED芯片基板的罕用散热资料。陶瓷基板今朝分为3年夜类:(1)氧化铝(Al2O3)、
(2)高温共烧陶瓷(LTCC)、(3)氮化铝(AlN),此中以AlN之导热性最好,但技巧门槛最高,故AlN多用于3W以上之LED产物,而Al2O3则用于1W~3W的范畴,
LTCC则实用于年夜尺寸年夜功率、小尺寸小功率之LED产物。以Cree XLamp LED系列为例,即采陶瓷基座优化散热才能。

  

  表1.散热基板的分类以及收缩性、导热性引见。 数据源:年夜毅科技

  正在封装方面,可采打线、共晶或覆晶三种形式将蕊片以及LED散热基板贯穿连接,打线是藉由金属导线衔接LED蕊片以及芯片基板,蕊片孕育发生的热只能藉由导线进行传导,散热的效力受限于导线的材质以及修长的多少型状,故散热效力备受限度,相较之下共晶、覆晶之接合形式,年夜幅缩小导线长度并加年夜导线截面积,晋升散热传导才能。

  

  图4. 打线式封装(左图)以及覆晶式封装(右图) 数据源:年夜毅科技

  正在线路改进方面,有厂商推出低压LED产物,其原理是将许多小功率LED进行串联,失去高电压、小电流的产物。低压LED多用于球泡灯、灯管、投射灯等空间受限的照明产物,可减低管制线路安排上的艰难性。相较于普通LED,低压LED的驱动电流较小,孕育发生的热量也绝对较少,可防止掉入”温度回升→阻抗降落→电流添加→热能添加→温度回升”的恶性轮回中,可设计出零碎稳固性较佳的LED灯具。

  引见完LED芯片基板后,接着提到一样于通报热量具备重责年夜任的零碎电路板,LED芯片藉由焊接以及零碎电路板进行链接,由蕊片所孕育发生的热能也由芯片基板传导到零碎电路板,今朝罕用的为具备高导热系数的金属蕊基板(Metal
Core
PCB;MCPCB),尽管前述有提过陶瓷基板的导热功能佳,但因零碎电路板之面积较年夜,正在思考老本要素以及灯具分量等要素,多会舍弃陶瓷基板,改用MCPCB做为零碎电路板。MCPCB由3层构造所形成,由上而下辨别为导电线路层、高导热绝缘层以及金属基板,此中高导热绝缘层的材质须慎选,若应用高收缩系数的材质,绝缘层易正在低温下收缩而孕育发生裂痕、空泛,反而使空气进入MCPCB中,构成额定的热阻抗,升高导热的效率,局部厂商会于导热绝缘层以及金属基版间喷涂陶瓷散热漆,可进步绝缘层的绝缘阻抗、节流多层导热胶的资料老本以及增强MCPCB的散热才能;最底层的金属基板多采纳铝合金,行使铝合金较佳的散热特点,达到热传导的目的。

  零碎电路板的后端连系着散热零碎进行散热,散热零碎可分为自动式散热以及被动式散热,自动式散热蕴含电扇强迫散热以及磁力喷飘泊热,被动式散热蕴含天然对飘泊热、回路热管散热,其下将逐个引见:

  1.电扇强迫散热:

  电扇强迫散热望文生义就是藉由电扇孕育发生空气对流,将热空气导出灯具本体外来进行散热,应用电扇强迫散热能够十分无效的将热排出,正在较量争论机、寒气及汽车中都以电扇进行强迫散热,今朝鑫源盛科技的S01
Glory Series LED路灯系列即采纳电扇强迫散热技巧。

  2.电磁喷飘泊热:

  电磁喷飘泊热没有应用电扇扇叶孕育发生气流,其构造为一具备薄膜之中空腔体,其行使电磁或压电驱动器以每一秒100~200次的频次振荡薄膜,匆匆使薄膜进行上下振荡,跟着薄膜的上下位移,空气会流入中空腔体再行喷出,喷出后的气流会动员周边空气孕育发生涡流景象,强化空气对流才能,今朝已使用于GE
27W Energy Smart LED球泡灯。

  3.天然对飘泊热:

  天然对飘泊热是透过散热器(例如:散热鳍片、灯具灯壳、零碎电路板…等)
以及空气进行间接接触,散热器周边的空气因排汇热量成为热空气,接着热空气回升,冷空气降落,天然就会动员空气孕育发生对流,达到散热的成果。跟着高功率灯具产物的推出,应用天然对飘泊热需有较年夜的散热外表积,故散热鳍片因应而生,少数加装于灯具反面,提供较年夜的散热面积,强化对飘泊热的成果,阳全光电之LED庭院灯即采纳鳍片天然散热技巧。

  散热鳍片的应用虽添加散热成果,但也添加了灯具的全体分量以及老本,更削减了立杆型灯具平安吊挂的危险,别的,LED灯具常面对落尘沉积等成绩,一旦通过长期的应用,过多的脏污、尘埃累积于散热鳍片,将弱化散热才能,相较之下局部业者抉择将散热鳍片设计与灯具发光面同向(向下散热),彻底防止了落尘沉积的成绩,市道市情上由鑫源盛科技所消费的多款LED路灯(例如:S02
Orra Series、S06 Fudo Series)即采纳向下天然散热设计形式。

  4.回路热管散热:

  此种散热办法是透过轮回式的热管进行散热,回路管的两端为零碎电路板(热源处)以及散热器,回路管的外部则充填着工作流体,并配有蒸发器,其工作原理为:当零碎电路板传来热能时,热源处的工作流体排汇热量后,经蒸发器转变成气体,行使气体挪动疾速的特点,热源处的热量可疾速传导到灯壳或散热器,因而回路热管散热仅处理热传导成绩,无奈无效达到「散热」性能。

  

  表2.灯具散热零碎引见

  正在灯具设计上,散热鳍片以及外灯壳因暴露于空气中,为防止氧化多通过阳极解决,最近几年有厂商推出软陶瓷散热漆用于庖代阳极解决顺序,并声称其热阻值靠近金属,能达到减速导热的效力,然其成效未知,尚待业界同仁的应用与经历分享。

  截至今朝为止,上述讨论的都是热传导以及热对流两种形式,今朝有厂商声称其陶瓷散热基板可行使远红内线型式将热辐射散出,进行远间隔传热,并声称可用于庖代LED芯片基板后真个导热金属(散热鳍片、金属灯壳),达到胜利散热以及加重灯具分量的成效,此技巧之散热效力若真如厂商所言,也将为LED灯具的散热设计带来严重的停顿。

  3、论断

  局部市售LED灯具的散热设计容易疏忽掉一些细节,例如漠视热传导的均温性,即散热鳍片的温度散布重大没有平均,招致此中一局部的鳍片对散热作用无限,乃至不施展散热成果。有些设计谬误则会带来风险性,尤为是LED路灯通常装设于8~12米的杆高,假如散热器重心设计欠安,可能招致分量与风阻过年夜,风险性添加,当遇到台风或地动将有可能招致重大不测。

  台湾的LED工业链欠缺,全体产能亦高居亚洲第二,若何正在争取市场的同时谨慎评价本身产物的品质、研发以及制程才能,做好LED灯具的散热设计经患上起工夫以及环境考验,都是业者必需严格自我标准的重点。