LED散热原理与技术简介.ppt

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2 1. 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： 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XLamp7090XRE LED散热原理与技术简介 不同厂家LED测量结果 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 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。 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