范文二:LED封装与热设计
摘 要
自LED从开展到今,LED制造工艺取得了很大的前进及开发许多新材料,各种色彩的超高亮度LED取得了突破性的开展,一起大功率LED也取得了很大的开展成果,LED在实践运用中的优势伴跟着运用规模的扩展而呈现的缺乏和技能上的问题也亟待处理,LED因其体积小、安全可靠、耗电量低、运用寿数长、环保等长处,成为第四代光源指日可下。可是因为其光电转化率较低,大部分电能实践转化成了热量,所以怎么前进其散热才干是LED急需处理的要害技能。而封装的规划直接影响到LED的散热,所以LED封装是热规划重中之重。
目录
一 导言..........................................................1
1.1 LED开展史及其开展前景......................................2
1.1.1 LED开展史................................................2
1.1.2 LED开展前景..............................................2
1.2 LED作业原理及其特性...........................................3
1.2.1 LED的作业原理 ...........................................3
1.2.2 LED的特性 ...............................................4第一章小结.......................................................4
二 LED 封装.......................................................5
2.1 LED封装......................................................5第二章小结.......................................................6
三 LED热规划根底..................................................6
3.1 LED照明热的发作..............................................6
3.2 LED结温及其对LED的影响.......................................6
3.3 LED热阻......................................................8
3.3.1 热阻对LED的影响..........................................8
3.3.2 削减热阻的办法...........................................9
3.4 LED散热的根本办法 ...........................................9
3.4.1传导.....................................................9
3.4.2对流....................................................10
3.4.3辐射....................................................11
3.5 常用的加速散热办法 .........................................11
第三章小结.......................................................13
四 大功率LED散热规划.............................................13
4.1 大功率LED散热...............................................14
4.2 大功率LED散热核算...........................................14
4.3 大功率LED散热规划...........................................15
4.4 大功率LED要害技能...........................................17
4.5 大功率LED的开展趋势.........................................18
第四章小结.......................................................19
五 总结和展望...................................................20
六 致谢..........................................................21
七 跋文..........................................................22
参考文献 .........................................................23
一 导言
自1879 年爱迪生创造白炽灯,照明开展到今共阅历了三次革新,被称为“第四代光源”的LED,是21世纪开展最快的高科技产品之一,LED因其体积小、安全可靠、耗电量低、运用寿数长、环保,与今世的节能环保相呼应,得到了政府的大力支持,跟着我国绿色照明工程的安排施行,促进了LED照明技能的创新和开展,使得LED在照明范畴得以广泛运用,未来的照明将会以LED为干流。
LED作为一种半导体固体发光器材,较之其他发光用具有更长的作业寿数,一般可抵达十万小时。如用LED替代传统的轿车用灯,那么它的寿数将远大于轿车本体的寿数,具有终身不必修补与替换的特色;LED是一种低压作业器材,因而在平等亮度下,耗电最小,可许多下降能耗。跟着往后工艺和材料的开展,将具有更高的发光功率。体积小,重量轻、耐抗击:这是半导体固体器材的固有特色,所以LED可制造各类明晰精美的显现器材;用LED制造的光源不存在比如水银、铅等环境污染物,不会污染环境。因而人们将LED光源称为“绿色”光源。因为LED在其作业进程中只需15%~25%的电能变换成光能,其他的电能简直都变换成热能,使LED温度升高。在大功率LED运用中,散热技能是要害技能,它不只影响LED的发光亮度,而且也直接影响LED构成体系的可靠性和寿数。
本文经过对LED结构、发光原理及特性、LED封装、热规划的根底理论、散热办法等一系列的方面进行剖析,对LED的规划进行一系列的优化,使LED在出产以及运用中可以更有用。
1.1 LED开展史及其开展前景
1.1.1 LED开展史
自1879 年爱迪生创造白炽灯,照明开展到今共阅历了三次革新,被称为“第四代光源”的LED,是21世纪开展最快的高科技产品之一,LED因其体积小、安全可靠、耗电量低、运用寿数长、环保,与今世的节能环保相呼应,得到了政府的大力支持,跟着我国绿色照明工程的安排施行,促进了LED照明技能的创新和开展,使得LED在照明范畴得以广泛运用,未来的照明将会以LED为干流。
LED作为一种半导体固体发光器材,较之其他发光用具有更长的作业寿数,一般可抵达十万小时。如用LED替代传统的轿车用灯,那么它的寿数将远大于轿车本体的寿数,具有终身不必修补与替换的特色;LED是一种低压作业器材,因而在平等亮度下,耗电最小,可许多下降能耗。跟着往后工艺和材料的开展,将具有更高的发光功率。体积小,重量轻、耐抗击:这是半导体固体器材的固有特色,所以LED可制造各类明晰精美的显现器材;用LED制造的光源不存在比如水银、铅等环境污染物,不会污染环境。因而人们将LED光源称为“绿色”光源。因为LED在其作业进程中只需15%~25%的电能变换成光能,其他的电能简直都变换成热能,使LED温度升高。在大功率LED运用中,散热技能是要害技能,它不只影响LED的发光亮度,而且也直接影响LED构成体系的可靠性和寿数。
本文经过对LED结构、发光原理及特性、LED封装、热规划的根底理论、散热办法等一系列的方面进行剖析,对LED的规划进行一系列的优化,使LED在出产以及运用中可以更有用。
1.1.2 LED开展前景
同一光效状况下,白炽灯可见光功率仅为10%-20%,,因为LED的光谱悉数会集于可见光频率,所以功率可以抵达50%以上,而本钱也下降了90%,这些优势使LED商场得到蓬勃开展。现在LED已广泛运用在大面积图文全彩显现、状况指示、标志照明、信号显现、液晶显现器的背光、轿车组合尾灯及车内照明等方面。LED被誉为21世纪新光源,有望成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源。LED运用范畴也逐步强大:
1、LED显现屏的运用商场。我国LED显现屏商场起步较早,呈现了一批具有很强实力的LED显现屏出产厂商。凭借着共同优势,LED全彩显现屏广泛运用在银行、证券交易所、医院、体育场馆、市政广场、车站、机场等场所。在LED需求量上,LED显现屏仅次于LED指示灯名列第二。
2、背光源商场。LED早已运用在以手机为主的小尺度液晶面板背光源中,手机产值的持续添加带动了背光源商场的快速开展,特别是彩屏手机的呈现更是推进了白光LED商场的快速开展。
3、车灯商场。轿车运用商场还处于未开展阶段,商场规模也在不断扩展。LED作为车灯首要得益于低功耗、长寿数和呼应速度快的特色。凭借着轿车产业的巨大产能,LED车灯商场有着巨大的开展潜力。
4、室内装修灯商场。室内装修灯商场是LED的另一新式商场。
5、景象照明商场。现在LED已越来越多的运用到景象照明商场中,北京、上海等地已建成一批LED景象照明工程,这些工程在装修大街的一起还将起到示范效果,将会使LED景象照明从一级城市快速向二级、三级城市扩展。
6、通用照明商场。关于LED进入通用照明商场,功率型的白光LED除面对着开展效益低、散热欠好、本钱过高档问题外,还面对光学、结构与电控等技能的整合以及LED照明产品通用规范的拟定问题,处理这些问题还需求必定的时刻。
1.2 LED作业原理及其特性
1.2.1 LED作业原理
发光二极管是由Ⅲ-Ⅳ族化合物,如GaAs(砷化镓)、GaP(磷化镓)、GaAsP(磷砷化镓)等半导体制成的,其间心是PN结。因而它具有一般P-N结的I-N特性,即正导游通,反向截止、击穿特性。此外,在必定条件下,它还具有发光特性。
PN结依据其端电压构成必定的势垒,当正向偏置时局垒下降,,P区和N区的大都载流子向对方分散。因为电子迁移率比空穴迁移率大得多,呈现许多电子向P区分散,构成对P区少量载流子的注入,这些电子与价带上上的空气复合,复合时得到的能量以光能的办法开释。这就是PN结发光的原理。如图1-1所示。
假定发光是在P区中发作的,那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光,或许先被发光中心捕获后,再与空穴复合发光。除了这种发光复合外,还有些电子被非发光中心(这个中心介于导带、介带中心邻近)捕获,然后再与空穴复合,每次开释的能量不大,不能构成可见光。发光的复合量相关于非发光复合量的份额越大,光量子功率越高。因为复合是在少子分散区内发光的,所以光仅在接近PN结面数微米以内发作。
理论和实践证明,发光的波长或频率取决于选用半导体材料的能量Eg,其巨细用下式核算,单位为电子伏(eV)。
λ≈1240/Eg(mm)
式中Eg的单位为电子伏特(eV)。若能发作可见光(波长在380nm紫光~780nm红光),半导体材料的Eg应在3.26~1.63eV之间。
1.2.2 LED的特性
具有许多特征:电学特征、光学特征和热学特征等特征。
电学特征中的I-V特征是表征LED芯片PN结功用的首要参数,LED的I-V特征具有非线性、单导游电性,即加正偏压表现为低电阻,反之为高电阻,
第一章小结:LED的根本常识是咱们入门LED必备常识,它是咱们深入研讨LED的根底。上文只剖析了LED电学特性中的I-V特征,LED还有许多的特性,如光学特性:光强散布、发光峰值波长及光谱散布、光通量、发光亮度等,在此就不逐个剖析研讨了。要研讨LED的封装和散热问题,就有必要要了解LED的许多特性,只需在了解LED的特性时才干更好地规划出优异的散热计划。
二 LED封装
2.1 LED封装
LED发光的中心部分是P 型和N 型半导体构成的PN 结管芯,当注入PN 结的少量载流子与大都载流子复合时,就会宣布可见光。但PN 结区宣布的光子对错定向的,即向各个方向发射具有相同的几率, 因而, 并不是管芯发作的一切光都可以开释出来。光开释首要取决于半导体材料质量、管芯结构及几许形状、封装内部结构与包封材料等几个方面, 运用中要求前进LED 的内、外部量子功率, 前进光输出量, 封装技能是不行或缺的环节,封装内部结构与包封材料有必要做到尽可能多的光输出。
LED 常选用环氧树脂和软性硅胶封装, 小功率LED多选用环氧树脂封装, 大功率LED 多选用软性硅胶封装。惯例Φ 5mm 型LED 封装是将边长0. 25mm 的正方形管芯粘结或烧结在引线架上,管芯的正极经过球形接触点与金丝键合为内引线, 与一条管脚相连,负极经过反射杯和引线架的另一管脚相连,然后其顶部用环氧树脂包封。反射杯的效果是搜集管芯旁边面、界面宣布的光,向希望的方向角内发射。顶部包封的环氧树脂做成必定形状,有这样几种效果: ( 1 ) 维护管芯等不受外界腐蚀; ( 2 ) 选用不同的形状和材料(掺或不掺散色剂) ,起透镜或漫射透镜功用, 操控光的发散角; ( 3 ) 管芯折射率与空气折射率相关太大,致使管芯内部的全反射临界角很小,其由源层发作的光只需小部分被取出, 大部分易在管芯内部经屡次反射而被吸收,易发作全反射导致过多光丢失,选用相应折射率的环氧树脂作过渡, 前进管芯的光出射功率。用作构成管壳的环氧树脂须具有耐湿性、绝缘性、满意的机械强度、对管芯宣布光的折射率和透射率高档功用。挑选不同折射率的封装材料,封装几许形状对光子逸出功率的影响是不同的, 发光强度的角散布也与管芯结构、光输出办法、封装透镜所用原料和形状有关。若选用尖形树脂透镜,可使光会集到LED 的轴线方向,相应的视角较小; 假如顶部的树脂透镜为圆形或平面型,其相应视角将增大。
现在LED首要有以下几种封装办法:
1、引脚式封装(Lamp LED);
2、平面式封装(Flat LED);
3、贴片式封装(SMD LED);
4、食人鱼形LED封装;
5、大功率型封装;
6、覆晶封装;
7、板上芯片封装(COB LED);
8、 体系封装式(Sip LED);
第二章小结:LED封装是LED出产的重要环节,封装的好坏将直接影响到LED的功用和寿数,其间封装也是LED热规划中的中心规划。关于封装,第四章将会以大功率LED封装为比如,剖析LED封装及散热问题。
三 LED热规划根底
3.1 LED照明热的发作
LED发热的原因是所参加的电能并没有悉数转化为光能,而是一部分转化为热能。LED的光电转化功率大约只需20%~30%。也就是说,大约70%的电能改动成了热能。
3.2 LED结温及其对LED的影响
LED的根本结构是一个半导体PN结,实验指出,当电流流过LED元件时,PN结的温度将上升,严厉意义上,把PN结的温度界说为LED结温。一般因为元件芯片均具有很小的尺度,因而咱们也可把LED芯片的温度视之为结温。
结温Tj是衡量LED封装散热功用的一个重要目标。结温的表达式为:
Tj=Rja×Pd+Ta
其间,Pd为耗散的功率,Rja为LED器材PN结与环境温度的总热阻,Tj,Ta别离为LED器材PN结的结点温度和器材周围的环境温度。式中标明,相同巨细的功率下,芯片结温升温越小,LED器材的功用越好。
在LED作业时,可存在以下状况促进结温不同程度的上升:
A、元件不良的电极结构,视窗层衬底或结区的材料以及导电银胶等均存在必定的电阻值,这些电阻彼此垒加,构成LED元件的串联电阻。当电流流过P—N结时,一起也会流过这些电阻,然后发作焦耳热,引致芯片温度或结温的升高。
B、因为P—N结不行能极点完美,元件的注入功率不会抵达100%,也便是说,在LED作业时除P区向N区注入电荷(空穴)外,N区也会向P区注人电荷(电子),一般状况下,后一类的电荷注人不会发作光电效应,而以发热的办法耗费掉了。即便有用的那部分注入电荷,也不会悉数变成光,有一部分与结区的杂质或缺点相结合,终究也会变成热。
C、实践证明,出光功率的约束是导致LED结温升高的首要原因。现在,先进的材料成长与元件制造工艺已能使LED极大大都输入电能变换成光辐射能,可是因为LED芯片材料与周围介质比较,具有大得多的折射系数,致使芯片内部发作的极大部分光子(>90%)无法顺畅地溢出介面,而在芯片与介质介面发作全反射,回来芯片内部并经过屡次内部反射终究被芯片材料或衬底吸收,并以晶格振荡的办法变成热,促进结温升高。
D、LED元件的暖流失才干是决议结温凹凸的又一个要害条件。散热才干强时,结温下降,反之,散热才干差时结温将上升。因为环氧胶是低热导材料,因而P—N结处发作的热量很难经过通明环氧向上散发到环境中去,大部分热量经过衬底、银浆、管壳、环氧粘接层,PCB与热沉向下发散。相关材料的导热才干将直接影响元件的暖流失功率。一个普通型的LED,从P—N结区到环境温度的总热阻在300到600℃/W之间,关于一个具有杰出结构的功率型LED元件,其总热阻约为15到30℃ /W。巨大的热阻差异标明普通型LED元件只能在很小的输入功率条件下,才干正常地作业,而功率型元件的耗散功率可大到瓦级乃至更高。
结温对LED的影响:
① 结温对光通量的影响:当结面温度由25℃上升到100℃时,其发光功率将会衰减20%~70%,其间又以黄光阑珊75%最为严峻。当LED结温升高时,器材输出光强将逐步减小。一般状况下,光通量随结温的添加而减小的效应是可逆的,即当温度回复到初始温度时,光通量会有一个康复性的添加。
② 高温下器材功用衰变:在高温下,LED的光输出特性除掉会发作可康复性的改动外,还将随时刻发作一种不行康复的永久性衰变。关于同一类型LED器材,在相同的作业电流时,结温越高,器材的输出光强衰减的越快。环境温度越高,结温就越高,器材功用的衰减速率就越快,当环境温度断定后,器材作业电流越大,结温也将越高,器材的功用的衰减速率就越快。
③ 结温对发光波长的影响:关于一个LED器材,发光区材料的禁带宽度值直接决议了器材发光的波长或色彩,LED材料属III-IV族化合物,当温度升高时,材料的禁带宽度将减小,导致器材发光波长变长,色彩发作红移。
下降LED结温的途径:
A、削减LED自身的热阻;
B、杰出的二次散热组织;
C、削减LED与二次散热组织设备介面之间的热阻;
D、操控额外输入功率;
E、下降环境温度。
LED的输入功率是元热效应的仅有来历,能量的一部分变成了辐射光能,其他部分终究都变成了热,然后使LED的温度上升。明显,减小LED温升效应的首要办法是:
① 设法前进元件的电光变换功率(又称外量子功率),尽可能多地将输入功率改动成光能。
② 设法前进元件的暖流失才干,使结温发作的热经过各种途径散发到周围环境中去。
3.3 LED热阻
3.3.1 热阻对LED的影响
在LED点亮后抵达热量传导稳态时,芯片外表每耗散1W的功率,芯片pn结点的温度与衔接的支架或铝基板的温度之间的温差就称为热阻Rth,单位为℃/W。数值越低,表明芯片中的热量传导到支架或铝基板上就越快。这有利于下降芯片中的pn结的温度,然后延伸LED的寿数。
热阻是沿暖流通道上的温度差与通道上耗散的功率之比,关于LED来说,热阻一般是指从LED芯片pn结到翅片上的热阻。
关于单个LED,设定PN结点生成的热沿着:结点—翅片—铝基散热电路板—空气,这个热途径传导。选用等效电路的热阻核算,PN结点到环境的总热阻:
Rja=Rjs+Rsb+Rba
其间,Rjs,Rsb,Rba别离是从结点到翅片,翅片到散热电路板,散热电路板到空气的热阻。热阻越小,表明相同的热耗散功率下,体系的散热功用越好,芯片结温与环境温度差越小。
影响热阻的巨细与以下要素有关:
(1)与LED芯片自身的结构与材料有关。
(2)与LED芯片粘结所用的材料的导热功用及粘结时的质量有关,是用导热功用很好的胶,仍是用绝缘导热的胶,仍是用金属直接衔接。
(3)翅片是用导热很好的铜,或许铝,而且与铜、铝的散热面积巨细也有直接的联络。
热阻越高,就会影响LED的功用和寿数,选用必定的材料与操控相关的技能细节,就可以下降LED的热阻,然后前进LED的寿数与作业效能。
3.3.2 减小热阻的办法
关于一个LED管,设法下降PN结与运用环境的热阻是前进器材散热才干的根本途径。因为环氧胶是低热导材料,因而PN结处发作的热量很难经过通明环氧向上散热到环境中去、大部分热量经过衬底、银浆、管壳、环氧粘结层、PCB与热沉向下发散。明显、相关材料的导热才干将直接影响器材的热阻与散热功用。
表2-4-1 LED衬底材料的热导系数:
材料
|
Si
|
Al2O3
|
GaAs
|
SiC
|
热导系数
(w/m·k)
|
75
|
25
|
18
|
49
|
表2-4-2常用热沉材料的热导系数:
材料
|
碳铜
|
黄铜
|
铝合金
|
金
|
银
|
锡
|
锌
|
纯铜
|
纯铝
|
纯铁
|
热导系数
(w/m·k)
|
36.7~39.2
|
109
|
162
|
315
|
427
|
427
|
121
|
398
|
236
|
81.1
|
表2-4-1、表2-4-2 指出了若干常用的衬底与热沉材料的导热系数值。为减小LED的总热阻,应设法减小芯片PN结到环境之间的间隔,增大散热通道面积及选用高热导的材料。由表2-4-2可知,纯铜与纯铝是二种具有极高热导的适与制造LED支架与热沉的材料。材料断定后,散热通道的截面积与散热片外表积的巨细决议了器材的总热阻。实验指出,散热面积越大,热阻越低。别的,经过电扇使环境空气发作了强制交流,也是减小热阻的有用处径。
3.4 LED散热的根本办法
3.4.1 传导
气体导热是由气体分子不规则运动时彼此磕碰的成果。金属导体首要靠自由电子的运动来完结。非导电固体中的导热经过晶体结构的振荡完结的。液体中的导热机理首要靠弹性波的效果。
热传导根本定理是傅里叶定理
Q=λA(Th/Tc)/ ζ
式中:Q——暖流量,W;λ——导热系数,W/(m2 oC);A——为热量传递方向笔直面积,m2;Th与Tc——高温与低温面的温度,oC/m;ζ——两个面之间的间隔,m;负号表明热量传递的方向与温度梯度的方向相反。
导热系数是表明物质导热才干的物理量。关于不同的物质,其导热系数各不相同,影响其数值巨细的首要要素是物质的品种和温度等。
热传导的改善:
① 减小热传途径长度;
芯片封装外壳在确保电机功用前提下尽量薄;
导热膏或许导热垫尽量薄;
散热片的导热底尽量薄;
② 选用导热系数高的材料;
③ 添加导热面积:散热片吸收底面积添加,芯片有用散热面积增大,纵向热阻减小;散热底板厚度添加,芯片有用散热面积增大,横向热阻减小。
3.4.2 对流
对流是指流体各部分之间发作相对位移时所引起的热量传递进程。对流仅发作在流体中,且必定伴跟着有导热现象。流体经过某物体外表时所发作的热交流进程,称为对流换热。若流体运动是借由温度差所构成的密度改动,发作浮力带动运动,此种热传送为天然对流;若是借由外在动力驱动流体运动将热带走,则称为强制对流,如风机等引起的。对流换热的热量依照牛顿冷却规律核算:
Q=hA(Th-Tc)
式中:h——对流换热系数,W/(m2·oC);A——对流换热面积,m2;
Th——热外表温度,oC;Tc——冷却流体温度,oC。
表3-2 对流换热系数大致规模
对流换热办法
|
换热系数(W/(m2·℃))
|
空气天然对流
|
1~10
|
气体逼迫对流
|
10~100
|
水天然对流
|
200~1000
|
热对流改善:
1、 添加流过器材外表的风速,添加流体换热系数(单位:W/m2.oC);
2、添加有用换热面积。
3.4.3 辐射
辐射是指经由红外线、光及电磁波等从物体外表传递的办法。太阳的热量穿过真空世界抵达地球,这也归于辐射。辐射中热量是否易于吸收和放出取决于外表的温度及色彩等。就色彩大体而言,黑色简略吸收,白色则较难。
假如用数值表明,其数值规模是0~1。理论上讲,全黑物质为1,铝为0.05~0.5,铁为0.6~0.9,黑色树脂为0.8~0.9,这就是热辐射率(没有单位)。
恣意物体的热辐射才干表明为:
ΦF=εAσo(TW4-TS4)
式中:ε—物体的黑度;σo—斯蒂芬.波尔兹常数(5.67×10-8/m•k4);A—辐射外表积,m2;T—物体外表的热力学温度,K。
因为LED辐射散热比较少,在此就不加阐明怎么改善辐射散热。
3.5 LED常用的加速散热办法
LED常用的加速散热办法有选用倒装焊、运用散热器,运用导热功用杰出的粘接材料等。
一. 选用倒装焊
为了前进功率型LED器材的散热才干和出光功率,发作了倒装焊芯片(flip-chip)结构。图3-5别离给出了现在常用的正装与倒装焊功率型LED芯片结构的示意图。倒装焊结构的特色在于以热导率较高的Si(或陶瓷)材料作为器材热传导的介质,经过倒装焊技能将LED芯片键合在Si衬底上。与正装结构的LED比较,倒装焊芯片结构使器材发作的热量不必经由蓝宝石衬底,而是由焊接层传导至Si衬底,再经Si衬底和粘接材料传导至金属底座。因为Si材料的热导率较高,可有用下降器材的热阻,前进其散热才干。
(a)正面出光大功率LED芯片结构图 (b)倒装焊大功率LED芯片结构图
1-GaN;2-蓝宝石;3-粘接材料;4-基板 1-蓝宝石;2-GaN ;3-焊接层;4-Si衬底;5-粘接材料;6-基板
图3-5 正装与倒装焊LED芯片结构示意图
二. 运用散热器
现在常用于功率电子设备的散热技能有风冷、水冷、微管道散热、热管技能等。运用风冷散热器对电子芯片进行冷却是最简略、最直接、本钱最低的散热办法。一般来说,空气冷却或强制风冷技能大多运用在低功耗或中等功耗的器材或电子设备中。现在,最好的散热是热管技能。风冷散热器的原理很简略:芯片耗散的热量经过粘接材料传导到金属底座上,再传导到散热片上,经过天然对流或强制对流把热量散发到空气中。传导和对流是两种首要的传热办法。要在答应的温度条件下将芯片耗散的热量传递到大气环境,可以采纳下列办法加强传导和对流散热。
1.选用导热功用好的材料作散热器:在常见的金属中,银的导热率最高,可是它的价格着实不菲。现在常用的散热器材料首要是铝和铜。铝价格便宜,密度小,好加工,导热功用杰出。比较较而言,铜的导热率比铝的大,许多散热才干超强的散热器均选用纯铜打造。但铜材料价格贵重、易氧化,加工本钱高。现在呈现铜铝复合型散热器,即底部为铜,散热片为铝,具有杰出的散热功用和经济性。
2.增大散热器的散热面积:散热面积越大的散热器,其热容量越大。散热器的肋片越多,其散热外表积越大,这样热量可以散发得更快。不
3.逼迫风冷:挑选适宜的电扇或鼓风机,加速散热片周围空气的活动,可以改善气流安排,前进对流换热系数,然后改善散热效果
水冷又称为液冷。它的散热功率高,热传导率为传统风冷办法的20倍以上,且无风冷散热的高噪音,能较好地处理降温文降噪问题。水冷散热设备大致可分为微型水泵、循环管、吸热盒和散热片四个部分。水冷散热的原理很简略,水冷散热是一个密闭的液体循环设备,经过泵发作的动力,推进密闭体系中的液体循环,将吸热盒吸收的芯片发作的热量,经过液体的循环,带到面积更大的散热设备,进行散热。冷却后的液体再次回流到吸热设备,如此循环往复。
三.运用导热功用杰出的粘接材料
不管采纳正装焊或倒装焊,芯片都需经过粘接材料粘接到金属热沉上。选用热导率更高的粘接材料,一起减小粘接材料层的厚度,可以明显下降倒装焊LED的热阻,前进器材的散热才干。
第三章小结:要前进LED的发光功率,LED体系散热与规划是一个很重要的课题,在了解散热问题之前,要先了解其散热途径,然后进行改善。LED的散热
途径首要有以下几种,
① 从空气中散热。
② 由体系的电路板导出。
③ 由金线导出。
④ 由通孔至体系电路板导出(共晶或覆晶制造进程)。
因而在规划散热问题时可以侧重考虑以上几种途径散热。散热并不是导热,对LED来说,基板的首要功用是导热而非散热,将热传到空气中才叫散热。以上剖析有提到可以用电扇作为散热器,但因为电扇滚动无法节能,还会有尘埃堆积,这对LED来说是丧命的危害,而且散热效果又有限,所以这种主意很难施行。LED散热途径最首要就有②和③,别离占散热份额为74%和18%。但经由电极金线散热因为金线矮小细长也会有约束。所以一般的LED可以考虑用导热性比较好的铝或铜来做基板,还可以选用陶瓷做基板,基板材料的挑选很重要,当然,不管哪一种规划,最首要的是考虑本钱问题,只需散热本钱低而且效果好,那么LED走进寻常百姓家的日子也就不远了。
四 大功率LED散热规划
跟着新技能的开发,大功率LED开展迅猛,不管是在结构仍是功用方面都有很大的改善,产值添加、价格下降;一起也开发了超大功率白光LED。与前几年比较较,在发光功率上有长足的前进。例如,Edison公司前几年的20W白光LED,其光通量为700lm,发光功率为35lm/W。2007年开发的100W白光LED,其光通量为6000lm,发光功率为60lm/W。
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数比其他灯具也高的多。假如在路灯体系及候机大厅、大型百货商场或超市、高档宾馆大堂等用电大户的公共场所悉数选用LED灯具,其一次性出资较高,但长时间的节电效果及经济性都是值得等待的。大功率LED的首要优势:
① LED芯片的价格下降到本来芯片的几分之一。
② 现有产能添加几倍,而没有添加其它贵重的设备出资,下降了危险。
③ 前进了新扩产设备的出产才干。
4.1大功率LED散热
LED是个光电器材,其作业进程中只需15%~25%的电能变换成光能,其他的电能简直都变换成热能,使LED的温度升高。在大功率LED中,散热是个大问题。例如,1个10W白光LED若其光电变换功率为20%,则有8W的电能变换成热能,若不加散热办法,则大功率LED的器芯温度会急速上升,当其结温(TJ)上升超越最大答应温度时(一般是125℃),大功率LED会因过热而损坏。因而在大功率LED灯具规划中,最首要的规划作业就是散热规划。
别的,一般功率器材(如电源IC)的散热核算中,只需结温小于最大答应结温温度就可以了。但在大功率LED散热规划中,其结温TJ要求比125℃低得多。其原因是TJ对LED的出光率及寿数有较大影响:TJ越高会使LED的出光率越低,寿数越短。
4.2 大功率LED散热核算
若结温为TJ、环境温度为TA、LED的功耗为PD,则RJA与TJ、TA及PD的联络为:
RJA=(TJ-TA)/PD (1)
式中PD的单位是W。PD与LED的正向压降VF及LED的正向电流IF的联络为:
PD=VF×IF (2)
假如已测出LED散热垫的温度TC,则(1)式可写成:
RJA=(TJ-TC)/PD+(TC-TA)/PD
则RJC=(TJ-TC)/PD (3)
RBA=(TC-TA)/PD (4)
在散热核算中,当挑选了大功率LED后,从数据材料中可找到其RJC值;当断定LED的正向电流IF后,依据LED的VF可核算出PD;若已测出TC的温度,则按(3)式可求出TJ来。
在测TC前,先要做一个实验板(挑选某种PCB、断定必定的面积)、焊上LED、输入IF电流,等安稳后,用K型热电偶点温度计测LED的散热垫温度TC。
在(4)式中,TC及TA可以测出,PD可以求出,则RBA值可以核算出来。
若核算出TJ来,代入(1)式可求出RJA。
这种经过实验、核算出TJ办法是根据用某种PCB及必定散热面积。假如核算出来的TJ小于要求(或等于)TJmax,则可以为挑选的PCB及面积适宜;若核算来的TJ大于要求的TJmax,则要替换散热功用更好的PCB,或许添加PCB的散热面积。
别的,若挑选的LED的RJC值太大,在规划上也可以替换功用上更好而且RJC值更小的大功率LED,使满意核算出来的TJ≤TJmax。这些下面将会阐明。
4.3 大功率LED散热规划
这儿选用了国星光电股份有限公司的丈量TC的实例中取部分数据作为核算举例。已知条件如下:
LED:2W白光LED、类型6070、RJC=18℃/W。K型热电偶点温度计丈量头焊在散热垫上。
PCB实验板:双层敷铜板(6.0×7.0mm)、t=3.8mm。
LED作业状况:IF=350mA、VF = 3.2V。
按图4-3-2用K型热电偶点温度计测TC,TC=70℃。测验时环境温度TA =25℃.
1. TJ核算
TJ=RJC×PD+TC=RJC(IF×VF)+TC
TJ=18℃/W(350mA×3.2V)+70℃=90.16℃
2. RBA核算
RBA=(TC-TA)/PD
=(70℃-25℃)/1.12W
=40.18℃/W
3. RJA核算
RJA=RJC+RBA=18℃/W+40.18℃/W =58.18℃/W
假如规划的TJmax=90℃,则按上述条件核算出来的TJ不能满意规划要求,需求转换散热更好的PCB或增大散热面积,并再一次实验及核算,直到满意TJ≤TJmax停止。
上式核算中70℃有一些差错,应焊上新的9℃/W的LED从头测TC(测出的值比70℃略小)。这对核算影响不大。选用了9℃/W的LED后不必改动PCB原料及面积,其TJ契合规划的要求。
上面的核算中TJ=90.16℃其完结已契合规划要求,6070选用铜柱型笔直散热结构,散热功用优异。它的光通量/lm为110流明,色温/K 为4000K,给人一种直爽的感觉,它首要运用于射灯、轨迹灯、路灯、地道灯等照明产品。可以说6070是国星光电的一款优异产品。
4.4 大功率LED要害技能
大功率LED封装的要害技能包含低热阻封装技能、高取光率封装结构、阵列封装与体系集成技能和金属键合技能。
(1) 低热阻封装技能
LED封装热阻首要包含材料内部热阻和界面热阻。散热基板的效果就是吸收芯片发作的热量,并传导到热沉上,完结与外界的热交流。常用的散热基板材料包含硅、金属和复合材料等。
(2)高取光率封装结构
对灌封胶的要求:透光率高,折射率高,热安稳性好,活动性好,易于喷涂,低吸湿性,低应力,耐老化等特性。硅胶具有透光率高,折射率大,热安稳性好,应力小,吸收性低一级特色,但受环境温度影响较大,随温度升高,硅胶内部的热应力加大,导致硅胶的折射率下降,然后影响LED光效和光强散布。
(3)阵列封装与体系集成技能
A、引脚式LED封装
B、外表拼装式封装(SMT-LED)
C、板上芯片直装式LED封装(COB)
D、体系封装式LED封装
(4)金属键合技能
晶片键合:指芯片结构和电路的制造、封装都在晶片上进行,封装完结后再进行切开,构成单个芯片。
芯片键合:指芯片结构和电路在晶片上完结后,即进行切开构成芯片,然后对单个芯片进行封装。
金属键合:选用金属与金属或许金属与硅片的键合技能,选用导热杰出的硅片替代原有的GaAs或蓝宝石衬底。
(5)封装基板新技能
金属系高散热基板:硬质系和可挠曲系基板。硬质系基板归于传统金属基板;可挠曲系基板是经过铝质基板薄板化赋予封装基板可挠曲特性。
A、高功率化金属基板
运用环氧树脂系接着剂将铜箔黏贴在金属基材的外表,经过金属基材与绝缘层原料的组合改动,制成各种用处的LED封装基板。
B、可挠曲基板
首要用处大多会集在布线用基板,以往高功率晶体管与IC等高发热元件简直不运用可挠曲基板,最近几年液晶显现器为满意高亮度化需求,要求在可挠曲基板上高密度设置高功率LED。 高热传导挠曲基板在绝缘层张贴金属箔,可以设置高发热元件。
C、陶瓷封装基板
LED封装用陶瓷材料分红氧化铝与氮化铝,氧化铝的热传导率是环氧树脂的55倍,氮化铝则是环氧树脂的400倍。
4.5 大功率LED的开展趋势
① 模块化
经过多个LED灯(或模块)的彼此衔接可完结杰出的流明输出叠加,满意高亮度照明的要求。经过模块化技能,可以将多个点光源或LED模块依照随意形状进行组合,满意不同范畴的照明要求。
② 体系功率最大化
为前进LED灯具的出光功率,除了需求适宜的LED电源外,还有必要选用高效的散热结构和工艺,以及优化内/外光学规划,以前进整个体系功率。
③ 低本钱
LED灯具要走向商场,有必要在本钱上具有竞赛优势(首要指初期设备本钱),而封装在整个LED灯具出产本钱中占了很大部分,因而,选用新式封装结构和技能,前进光效/本钱比,是完结LED灯具商品化的要害。
第四章小结:本章先从LED照明热发作开端剖析到终究大功率LED散热规划,其间有剖析了大功率LED散热的一系列问题,因为我是在国星光电实习,所以我跟师傅要了一些国星光电大功率LED的材料,再结合自己的大功率LED散热规划,把材料运用起来规划成经典的大功率LED热规划。我的大功率LED热规划,里边规划的内容还有许多缺乏的当地,例如,TC的丈量不是很精确,而且其时规划也没有考虑到空气的换热和辐射换热的巨细等。我觉得,想要加速散热,可以考虑换一种基板,如选用陶瓷基板替代金属基板,或许用导热率更好的基板。或许将金线间隔缩短、增大线径,这样也会加速芯片的散热功率,不过这一切都要考虑本钱,如本钱太高,这也是不值得的。最近呈现了一种新技能:微槽群复合相变冷却技能,它有望处理大功率LED散热问题,在此就不剖析了。
五 总结和展望
经过了一个多月的学习和实践,我总算完结了LED封装与热规划的规划。从开端选题到毕业论文的完结,每走一步对我来说都是新的测验与应战。在这段时刻里,我学到了许多常识,也遇到过许多问题。一开端对规划等相关技能并不是很了解,后期,我作了许多的预备,开端查阅的许多的材料,有用的材料悉数记起来。尽管我的毕业规划论文著作不是很老练,还有许多缺乏之处,但我可以自豪的说,在本次规划中,里边的每一点论说,都是经过我充分预备和认真学习所得。
本规划论文从LED的发光原理和特征动身,论说了LED的各种特征,还有LED的封装技能,要点写了LED热规划,终究经过大功率LED散热规划剖析研讨大功率LED散热问题。
经过我的这次规划,我信任不管是在今后的学习和作业进程中都将是我终身的财富。
六 致谢
在这次论文规划进程中,辅导我写毕业论文的X教师给予仔细指引与教训,使得我终究完结完结毕业论文的规划,在此我表明衷心感谢。一起也感谢协助我的同学,没有你们,我无法顺畅的完结论文,是你们的仔细协助,让我的论文顺畅完结。终究感谢国星光电的领导,谢谢它为我供给实习当地和论文的相关材料。感谢你们,祝福你们作业顺畅、身体健康!终究感谢教师阅览我的论文。
七 跋文
从开端写作至本论文终究定稿,总花费了我一个多月以来一切业余时刻。尽管说在繁忙的作业之余要完结这样一篇论文确实不是一件轻松的作业,但我内心深处却满含感谢之情,感谢国星光电单位为我供给实习时机,感谢国星光电的职工和我参议我的论文,他们对我的协助很大,不管是在作业上的仍是在学习上。感谢应电班的一切任课教师,是你们的教育使我将常识渐渐沉积下来,并终究做到学以致用。一起很感谢我的辅导教师X教师,他为人热心,常常自动联络我,仔细地辅导我写好论文。经过这次论文的编撰,使我可以更体系、更全面地学习LED的有关常识,这对我今后的学习和作业来说,都是一笔巨大的财富。
因为自己常识比较有限,论文中不免有遗漏和缺乏的当地,欢迎教师和专家们的纠正,谢谢。
参考文献
1、周志敏,纪爱华. LED热规划与工程运用. —北京:电子工业出版社,2012.1
2、周志敏. LED照明技能与工程运用. —北京.:中国电力出版社. 2009
3、周志敏. LED背光照明技能与运用电路. —北京.:中国电力出版社. 2010
4、沈洁. LED封装技能与运用. —北京.:化学工业力出版社. 2012.8
5、国星光电材料:《2013LED照明器材介绍》
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