LED散热基本知识.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2015-5-17,#,LED,散热基本知识,2,主要内容,8-1,LED,发热原理及散热的必要性,8-2,LED,散热途径,8-3,LED,热工模型,8-4,LED,热管理,8-5,应用案例,3,8-1,LED,发热原理及散热的必要性,1.LED,的热量产生原因,LED,的基本结构是一个半导体,PN,结。,LED,发热的原因是所加入的电能并没有全部转化为光能，而是一部分转化为热能。电流流过,LED,元件时，,PN,结的温度降上升，把,PN,结区的温度定义为,LED,结温,。,内部量子效率,不高。“电流泄露”使,PN,区载流子的复合率降低。目前内量子效率可达,90%,，不占主要成分。,外量子效率,不高。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，目前外量子效率只有,30%,左右，是主要成分。,4,1.LED,的热量产生原因,LED,的基本结构是一个半导体,PN,结。,LED,发热的原因是所加入的电能并没有全部转化为光能，而是一部分转化为热能。电流流过,LED,元件时，,PN,结的温度降上升，把,PN,结区的温度定义为,LED,结温,。,内部量子效率,不高。“电流泄露”使,PN,区载流子的复合率降低。目前内量子效率可达,90%,，不占主要成分。,外量子效率,不高。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，目前外量子效率只有,30%,左右，是主要成分。,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,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,3,30,不等（,2008,年）,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。,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。,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,7,2.LED,发光特点,LED,是一种注入电致发光器件，在外加电场作用下，电子与空穴的辐射复合而发生的电致作用将一部分能量转化为光能，即,量子效应,，而无辐射复合产生的晶格振荡将其余的能量转化为热能。,对大于,1W,级的大功率,LED,而言。目前的电光转换效率约为,15,，剩余的,85,转化为热能，而芯片尺寸仅为,1mmx1mm-2.5mmx2.5mmm,，意即芯片的,功率密度很大,。,与传统的照明器件不同，自光,LED,的发光光谱中不包含红外部分，所以其热量,不能依靠辐射释放,。因此，如何提高散热能力是大功率,LED,实现产业化有待解决的关键技术难题之一。,大功率,LED,广义上说就是单颗,LED,光源功率大于,0.35W,(,含,0.35W),的，拥有大额定工作电流的发光二极管。普通,LED,功率一般为,0.05W,、工作电流为,20mA,，而大功率,LED,可以达到,1W,、,2W,、甚至数十瓦，工作电流可以是几十毫安到几百毫安不等。其单位时间内产生的热量更多，对其正常照明有很大的影响。,3.,热效应对大功率,LED,性能的影响,其中：,v,（,T,j1,）,=,结温,T,j1,时的光通量,v,（,T,j2,）,=,结温,T,j2,时的光通量,Tj=T,j2,-T,j1,k=,温度系数,光通量,v,与结温,T,j,的关系,(1),温度与光通量的关系,10,2026/1/30 周五,AlInGaP,类,LED,光输出与结温关系图,相对光输出,T,j,（）,橙红色,黄色,红色,InGaN,类,LED,光输出与结温关系图,相对光输出,绿色,蓝绿色,蓝色,白色,深蓝色,T,j,（）,当,LED,的结温升高时，器件的,输出光强度,将逐渐,减少,。,光通量随结温的增加而减少的效应是,可逆,的，即当温度回复到初始温度时，光通量会有一个恢复性的增长。,这种,效应的机制显然是由于材料的一些相关参数会随温度发生，从而导致器件参数的变化。随温度的增加，电子与空穴的浓度会增加，,禁带宽度会减小,，电子迁移率也将减小。,势阱中电子与空穴的辐射,复合几率降低,，造成非辐射复合,(,产生热量,),，从而,降低,LED,的内量子效率,12,2026/1/30 周五,光通量与环境温度的关系,Ta,（）,相对光通量,橙红色,黄色,Ta=100,时，,LED,的光通量将下降至室温时的一半左右。,LED,的应用必须考虑温度对光通量的影响。,13,2026/1/30 周五,(2),波长与结温,Tj,的关系,LED,的发光波长一般可分成,峰值波长,与,主波长,。峰值波长即光强最大的波长，而主波长可由,X,、,Y,色度坐标决定，,反映了人眼所感知的颜色,。显然，结温所引致的,LED,发光波长的变化将直接造成人眼对,LED,发光颜色的不同感受。,对于一个,LED,器件，发光区材料的,禁带宽度,值直接决定了器件发光的波长或颜色。,14,2026/1/30 周五,(2),波长与结温,Tj,的关系,k=,/,T,j,:LED,波长,-,结温飘移率,当温度升高时，材料的,禁带宽度,将减小，导致器件发光,波长变长,，颜色发生,红移,使芯片的发射波长和荧光粉的激发波长不匹配，也会造成,白光,LED,外部光提取效率的降低,(3),正向压降,Vf,结温,Tj,的关系,正向电压是判定,LED,性能的一个重要参量，其大小取决于,半导体材料的特性,、,芯片尺寸,以及,器件的成结与电极制作工艺,。,相对于,20mA,的正向电流通常,InGaAlP LED,的正向电压在,1.8,2.2V,之间，,InGaN LED,的正向电压处在,3.0,3.5V,之间。,在小电流近似下，,LED,器件的正向压降可由表示为：,Vf,正向电压,If,正向电流,I0,反向饱和电流,q,电子电荷,k,玻尔兹曼常数,Rs,串联电阻,n,表征P/N结完美性的一个参量，处在12之间。,17,2026/1/30 周五,k=Vf/Tj,：,正向压降随结温变化的系数,，通常取,-2.0mV/.,在输入电流恒定的情况下，对于一个确定的,LED,器件，两端的正向压降与温度的关系为：,高温下，由于,结区缺陷,与,杂质,的大量增值与集聚，也将造成额外,复合电流,的增加，而使正向电压下降,当电流固定时，温度升高，,LED,正向电压会下降。由于正向电压与温度的关系,接近线性,，所以大多,LED,热阻测试仪器利用,LED,的这一特性,测量其热阻或结温,。,19,2026/1/30 周五,(4),热对发光效率,v,的影响,在输入功率一定时：,热量,结温,T,j,正向压降,V,f,电流,I,f,热量,发光效率,v,LED,内部会形成,自加热循环,，如果不及时引导和消散,LED,的热量，,LED,的发光效率将,不断降低,。,(5),热对,LED,荧光粉激发效率的影响,温度升高，荧光粉,激射效率,下降,(6),热对,LED,出光通道的影响,加速出,光通道物质,的老化；,降低通道物质的,透光率,；,改变出光通道物质的,折射率,，影响光线的,空间分布,；,严重时改变出,光通道结构,。,22,2026/1/30 周五,(7),热对,LED,寿命的影响,不同温度下,AlInGaP Power LED,老化测试结果,测试时间（小时）,相对光输出,实际数据,外推数据,实际数据,外推数据,实际数据,外推数据,LED,的寿命表现为它的光衰，也就是时间长了，亮度就越来越低，直到最后熄灭。通常定义,LED,光通量衰减,30%,的时间为其寿命。,23,2026/1/30 周五,永久性衰减主要包括：,多层量子阱之间存在,晶格失配,，界面上形成大量的位错等结构缺陷，随温度升高，这些缺陷会快速增值、繁衍，直至侵入发光区，形成大量的,非辐射复合中心,。,高温条件下，材料内的微缺陷及来自界面与电极的快扩杂质也会引入发光区，形成大量的,深能级,。,主要指,不可恢复,的永久性的衰变,封装,LED,用的,环氧树脂,存在着一个重要特征，即当环氧树脂温度超过一个特定温度时，环氧树脂特性将从一个刚性的,类玻璃状态,转变为一个柔软的似,橡胶状态的物质,，材料的膨胀系数急剧增加，形成一个明显的拐点，此温度为,125,C,。,当器件在此温度附近或高于此温度变化时，将发生明显的膨胀或收缩，致使,芯片电极,与,引线,受到额外的压力，而发生,过渡疲劳,乃至,脱落损坏,。,当环氧树脂处于较高温度时，与邻近部分的封装环氧树脂会逐渐变性、发黄，影响环氧树脂的,透明性能,，随着工作时间的延长，,LED,光输出将逐渐衰退。,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。,焊点经历一定次数冷热循环后（热胀冷缩的循环）会产生脱节。一般来说，焊点的温度越高，脱节前经历的冷热循环数越低。,8-2,LED,散热途径及存在的问题,1.,芯片散热,2.,封装散热,3.,金属基板技术,铝基板,PCB,由,电路层,（铜箔层）、,导热绝缘层,和,金属基层,组成。,电路层要求具有很大的,载流能力,，从而应使用较厚的铜箔，厚度一般,35m280m,；,导热绝缘层是,PCB,铝基板核心技术之所在，它一般是由特种陶瓷填充的特殊的聚合物构成，热阻小，粘弹性能优良，具有抗热老化的能力，能够承受机械及热应力，并且使其具有极为优良的,导热性能,和高强度的,电气绝缘性能,；,金属基层是铝基板的,支撑构件,，要求具有,高导热性,，一般是铝板，也可使用铜板（其中铜板能够提供更好的导热性），适合于钻孔、冲剪及切割等常规机械加工。,4.,翅片散热,204,环氧树脂或硅胶（荧光粉胶层）,203 LED,芯片裸片,202 LED,基片（,80w/mk,）,201,金属电极,106,焊锡层（,60w/mk,）,105,敷铜层（,400w/mk,）,104,电绝缘层,(1W/mk),103,铝板 （,200w/mk,）,102,导热胶 或垫片,(8w/mk),101,铝散热翅（,200w/mk,）,由于,环氧树脂,的导热能力很差，,蓝宝石,又是热的不良导体，热量只能靠芯片下面的引脚散出，因此,前后,两方面都造成散热困难，影响了器件的性能和可靠性。,铝基板,绝缘层的热阻直接决定着铝基板的热阻大小。,铝,基板绝缘层,厚度减薄，热阻相应减小，热传导能力增强，但绝缘强度相应降低。因此，功率模块使用什么,厚度,的绝缘层，首先取决于模块绝缘强度的需求,5.,阻碍,LED,散热的主要因素,各种,导热胶,连接的热界面都存在,界面热阻,，并且导热胶的导热系数比较低，也影响着热量的传导。,散热片,的材质以及结构、安装方式直接影响着散热。,35,6.,散热问题为什么难以解决？,与白炽灯等通用灯具不同，,LED,的发热是,后向的,，热量难以以传导、对流、红外辐射等形式散出。,由于空间所限，散射组件,体积不能太大,。如散热翅，热管散热技术,由于成本的限制，专业的散热技术一般不能采用。比如：半导体制冷技术,由于可靠性的高要求，散热技术,不能太复杂,、不能有运动部件。比如：风扇冷却技术,1.,热阻,热阻：热量传导通道上两个参考点之间的温度差与两点间热量传输速率的比值。,其中：,R,th,=,两点间的热阻（,/W,或,K/W,）,T=,两点间的温度差（）,Q,x,=,两点间热量传递速率（,W,）,8-3,LED,热工模型,也可以,:,热流通道上的温度差与通道上耗散功率之比。,LED,的热阻定义：,热传导模型的热阻计算,其中：,L,为热传导距离（,m,）,S,为热传导通道的截面积（,m,2,）,为热传导系数（,W/mK,）,LED,的基本结构是一个半导体的,P-N,结。一般把,P-N,结区的温度定义为,LED,的,结温,。但,LED,的,P-N,结区温度无法直接测量到。,2.LED,结温及计算方法,LED,芯片很微小，其热容可忽略；,输入电能中大部分（约,85%,）转化为热量，一般计算中忽略转化为光的部分能量（约,15%,），假设所有的电能都转变成了热；,在,LED,工作热平衡后，,T,j,=T,a,+R,thja,P,d,其中,R,thja,=LED,的,PN,结与环境之间的热阻,;,P,d,=,I,f,V,f,I,f,V,f,：,LED,的输入功率。,(1),简单计算过程,41,2026/1/30 周五,（,2,）分立,LED,热阻的计算模型,LED,热通道上各环节都存在热阻，热通道的简化热工模型是串联热阻回路。,j,a,b,s,R,thjs,R,thsb,R,thba,j,s,b,PN,结,-,反射腔,-,印刷板,-,空气（环境）,Tj=Ta+Pd,R,thja,=Ta+Pd,(,R,thjs,+R,thsb,+R,thba,),42,2026/1/30 周五,T,j,T,s,R,thjs,R,thsb,(3).,集成,LED,阵列热阻的计算模型,T,b,T,a,R,thba,集成,LED,（假定热阻一致）阵列热阻利用并联阻抗模型计算：,(4).,考虑电压温度系数的结温计算模型,U,f,（,T,j2,）,=U,f,（,T,j1,）,+k,T,j,例题：某款灯，采用,5,颗,cree,产品,XP-G,系列灯珠,单颗灯输入功率：,IF=350mA,UF=3.3V;,测试环温,Ta=25,时，测得铝基板焊盘处焊点温度为,Tc=52.8,，试计算此产品的结温温度。,3.,常见,LED,灯具散热热工模型,1,）,.,分立式,LED,光源组装的,LED,灯具散热情况的分析。,分立式大功率,LED,结构示意图,散热路径示意图,分立式大功率,LED,主要的散热路径是：,管芯散热垫印制板敷铜层散热器环境空气,。,若,LED,的结温为,TJ,，环境空气的温度为,TA,散热垫底部的温度为,Tc,（,TJ,Tc,TA,）,从管芯的结温,TJ,传导到空气,TA,的总热阻,RJA,与各热阻关系为：,RJA=RJC+RCB+RBA,双层敷铜层散热结构,铝合金基敷铜板结构图,“”,形铝型材散热片,2,）,.,带热管导热,LED,灯具散热情况的分析。,从灯具光源发出的热量通过热管传递到散热片上，热管可以增加热传导速率（热管本身不具备散热能力），但是热量传递到散热片上后，还需要散热片有足够的散热面积和足够的与空气对流的环境，如果上述条件满足不了，则系统热平衡后，,LED,散热问题依然存在。,3,）,.,集成模块,LED,光源组装的,LED,灯具散热情况分析。,散热器与灯壳一体化的科学设计，使,LED,光源与外壳紧密相连，通过独特的散热器与空气对流高效散热，实现了芯片热量的快速传递与释放，不仅确保了光源能在较低温度下工作，而且最大限度地减少了,LED,光衰减，从而形成了,LED,灯具寿命长，免维护的特点。,低热阻,光源模块,接触面精密配合,传热技术,低热阻接触面,导热介质,高效导热均温,散热技术,灯壳散热,一体化结构,铜镁铝合金,立体散热器,彻底解决大功率,LED,灯具散热难问题,LED,灯具整体散热解决方案示意图,专利铜镁铝合金材料,散热效果好,高效散热器结构,8-4,LED,热管理,解决方法：,(A),改进,LED,芯片、封装的结构和材料,;,上中游产业完成,(B),系统集成，主要针对灯具散热方式，提高换热效率。,灯具散热设计的主要工作,53,1.,几个基本概念,Heat spreading,（,传热,）,:,把热传到一个更大的面积,（,1,）传热和散热,Heat sinking,（,散热,）,:,通过,convection,（热对流）和,radiation,（,热辐射）使热传到空气环境中。,（,2,）主动散热和被动散热,被动散热,主动散热,主动散热：通过风扇等散热设备强迫性地将散热片发出的热量带走,被动散热：通过散热片将,LED,芯片的热量自然散发到空气中；,55,主动散热和被动散热的比较：,56,Passive,Passive,Passive,Passive,Active,Active,2.,固晶技术,1,）,.,银胶固晶,以银粉,+,环氧树脂在加热的条件下,(150/1h),固化的方式粘合晶片与支架。,2,）,.,共晶固晶,使用特殊工艺制作的共晶晶片,利用超声波振荡使,LED,晶片底部的,Sn/Au,合金层熔化,与支架底部形成金属与金属的熔合,.,相比传统固晶方式的优点,:,1).,金属与金属的熔合,有效降低欧姆阻抗,2).,有效提升热传导效率,3,）倒装芯片,银胶,金属热沉,凸焊点,Si,61,2026/1/30 周五,A.,正装芯片,/,银胶固晶,B.,正装芯片,/,共晶固晶,62,2026/1/30 周五,C.,Si,衬底金球倒装焊芯片,/,银胶固晶,D.,Si,衬底金球倒装焊芯片,/,共晶固晶,63,2026/1/30 周五,F.,AlN,衬底共晶倒装芯片,/,共晶固晶,E.,AlN,衬底共晶倒装芯片,/,银胶固晶,64,2026/1/30 周五,从以上计算可见：,固晶工艺对,LED,热阻有较大影响；,倒装芯片在导热上比正装芯片稍优；,正装芯片,/,共晶固晶在导热上并不比倒装芯片差；,目前实际制造的,LED,成品热阻,R,thjs,比以上理论计算高出,1,倍左右，说明制造工艺水平还有很大的提升空间。,3.,散热基板的设计,散热基板主要是利用其材料本身具有的高热导率，将热量从芯片导出，实现与,外界的电互连与热交换,。目前常用的封装基板主要包括,、,、,等。,）印刷电路板（）近年来，基板生产技术已非常成熟，成本较低。但由于作为主材的,热导率（）很低，难以满足大功率 散热要求,。,）金属核印刷电路板（）又称绝缘金属基板是一种由金属铝板、有机绝缘层和铜箔组成的,三明治结构,，其优点是成本低，可实现大尺寸、大规模生产。,MCPCB,主要是从早期的铜箔印刷式电路板,(FR4),慢慢演变而成，,MCPCB,与,FR4,之间最大的差异是，,MCPCB,以,金属,为核心技术，采用铝或铜金属作为电路板之底材，在基板上附着上一层铜箔或铜板金属板作线路，用以改善散热不佳等问题,产品标准厚度：,0.8,、,1.0,、,1.2,、,1.5,、,2.0,、,2.5,、,3.0mm,铜箔厚度：,35um 70um 105um 140um 280um,特色,:,导热系数一般为,13W/m.,，,具有高散热性、电磁屏蔽性，机械强度高（强于陶瓷基板），加工性能优良。,工艺要求有：镀金、喷锡、,osp,抗氧化、沉金、无铅,ROHS,制程等。,）直接键合铜基板（,）,(,陶瓷散热基板,),（,）是一种高导热性覆铜陶瓷板，由陶瓷基板（,或,）和导电层（厚度大于,层）在高温下（,）共晶烧结而成，最后根据布线要求，以刻蚀方式形成线路由于铜箔具有良好的导电、导热能力，而氧化铝能有效控制,复合体的膨胀，使,基板具有近似氧化铝的,，因此，,具有导热性好、绝缘性强、可靠性高等优点,。,4.,热界面材料的选择,热传导材料或热界面材料,Thermally Conductive Materials(TCM),Thermal Interface Materials(TIM),作用：填充接触面空隙，减小表面接触热阻。,选用原因,-,空气是热的不良导体。,提供适当的散热途径将,PCM,的热量传递给散热片以维持元器件与功率组件在适当的温度下正常工作,散热片,导热材料,热源,功率组件,导热材料,R,C1,R,C2,导热材料的实测热阻,R,TM,市场上有,导热硅脂,，,导热双面胶,与,导热硅胶,：,导热硅胶,：一般为方形等固定尺寸胶状物质，导热系数一般为,0.83 w/k.m,。略低于导热硅脂，成本略高。但性能稳定，相对于使用在小尺寸产品上较多。,导热双面胶,：导热系数一般低于,1w/k.m,适用于某些需要胶粘的低功耗部件。,导热硅脂,：一般为偏黑色或者偏白色油泥状物质（加入银或者铝粉），借助钢制网板治具涂刷使用。可根据治具灵活调整尺寸厚度，较适合于用在大尺寸的零部件接触面。,-,三者都含有硅油，但经过测试，即使是含硅油较多的导热硅脂变干后散热效果会更好。,灌封胶,：一般导热系数,0.5 w/k.m,左右，可起到固定绝缘导热的作用。,导热胶的错误使用方法,案例,钢网设计,钢网图例,导热胶印刷制成,5.,当前,LED,主要散热器工艺,(1),铝挤压技术,（,2,）铝压铸技术,（,3,）主要产品外形,Extruded,Bonded Fin,Stampings,Folded Fin,Active Fan,Cross-cut,Product images courtesy of ThermaFlo Inc.,Most high power LED lamps will need a heat sink in order to dissipate operating heat.,Recommended thermal management products include:,Thermally conductive compounds,Mounting hardware,Temperature sensors,Types of Heat Sinks,（,4,）热管,Fin,片技术,（,5,）散热材质的选择,6.,散热器的设计与选择,高效能的散热,=,热传系数,X,散热面积,X,温度差,热量在传递过程有一定热阻。由,LED,芯片传到外壳的热阻为,R,JC,，外壳与散热器之间的热阻为,R,CS,，散热器将热量散到周围空间的热阻为,R,SA,，总的热阻,R,JA,=R,JC,+R,CS,+R,SA,。若器件的最大功率损耗为,P,D,，并已知器件允许的结温为,T,J,、环境温度为,T,A,，可以按下式求出,允许的总热阻,R,JA,。,(1)R,JA,(T,Jmax,-T,A,)/P,D,则计算最大允许的散热器到环境温度的热阻,R,SA,为,(2)R,SA,(T,J,-T,A,)/P,D,-(R,JC,+R,CS,),T,SA,R,SA,P,D,(,温升,),出于为设计留有余地的考虑，一般设,T,J,为,125,。环境温度也要考虑较坏的情况，一般设,T,A,=40-60,。,R,JC,的大小与管芯的尺寸封装结构有关，一般可以从器件的数据资料中找到。,R,CS,的大小与安装技术及器件的封装有关。如果器件采用导热油脂或导热垫后，再与散热器安装，其,R,CS,典型值为,0.1-0.2/W;,若器件底面不绝缘，需要另外加云母片绝缘，则其,R,CS,可达,1/W,。,PD,为实际的最大损耗功率，可根据不同器件的工作条件计算而得。这样，,R,SA,可以计算出来，根据计算的,R,SA,值可选合适的散热器了,（,3,）确定散热器,按照散热器的工作条件（自然冷却或强迫风冷），根据,R,SA,或,T,SA,和,P,D,选择散热器，查所选散热器的散热曲线,（,R,SA,曲线或,T,SA,线,），曲线上查出的值小于计算值时，就找到了合适的散热器。,对于型材散热器，当无法找到热阻曲线或温升曲线时，可以按以下方法确定：,按上述公式求出散热器温升,T,SA,，然后计算散热器的综合换热系数,：,7.2123(Tf-Ta),20,式中：,1,描写散热器,L/b,对,的影响，（,L,为散热器的长度，,b,为两肋片的间距）；,2,描写散热器,h/b,对,的影响，（,h,为散热器肋片的高度）；,3,描写散热器宽度尺寸,W,增加时对,的影响；,(Ts-TA),20,描写散热器表面最高温度对周围环境的温升对,的影响；,以上参数可以查表得到。,计算两肋片间的表面所散的功率,q0,q0=T,fa,（,2h+b,）,L,根据单面带肋或双面带肋散热器的肋片数,n,计算散热功率,PD,单面肋片：,P,D,nq0,双面肋片：,P,D,2nq0,若,P,D,PD,时则能满足要求。,由,Q=HA,（,T1-T2,）结合修正系数推得：,S=0.86W/(T*a),式中,T,散热器温度与周围环境温度（,Ta,）之差（,）；,（,h,）,换热系数，是由空气的物理性质及空气流速决定的。,的值可以表示为,:,=Nu*/L,式中,热电导率由空气的物理性质决定；,L,散热器高度；,Nu,空气流速系数。,Nu,值由下式决定,Nu=0.664*(V/V1)(1/2)*Pr(1/3),式中,V,动黏性系数，是空气的物理性质；,V1,散热器表面的空气流速；,Pr,参数。,(4),估算散热器表面积,材料,(,铝挤,AL6063,，,压铸,ADC12,finAA1050),底板厚度,(,一般需,4mm,，,T=7xlogW-6(min 2mm),鳍片形状,鳍片厚度,(,铝挤,0.52mm,压铸,14mm,fin0.20.5mm),鳍片间距,(38mm),鳍片长度,(,铝挤,100mm,理论上散热鳍片的厚度,t,和长度,h,之比不能超过,1,：,18),鳍片,/,底板之结合材料,(,焊接，铆合,),散热计算举例,例,:已知3W白光LED，R,JC,=16,O,C/W，K型热电偶点温度计测量头焊在散热垫上。,PCB试验板：双层铜板40*40*1.6mm,LED 工作状态：I,F,=500 mA，V,F,=3.97V,K型热电偶点温度计测T,C,=71,O,C.,设计T,J,=90,O,C,试分析这种散热设计能否满足要求。,解 T,J,=R,JC,*P,D,+,T,C,=R,JC,*I,F,*V,F,+,T,C,=16(0.500*3.97)+71=103,O,C,R,BA,=(T,C,-T,A,)/P,D,=(71-25)/(0.5*3.97)=23.1,O,C/W,R,JA,=,R,JC,+R,BA,=16+23.1=39.1,O,C/W,如果设计的T,J,=90,O,C,则按上条件不能满足设计要求,需改,换散热更好的P,CB,板或增大散热面积并再一次试验和计算,直到满足T,J,T,JMAX,为止.,另一方法是,更换LED的,R,JC,如,R,JC,=9,O,C/W,T,J,=,=,R,JC,*,I,F,*,V,F,+,T,C,=9(0.5*3.97)+71=87.4,O,C,7.,散热器结构设计,结构设计,1,易于空气上下自然对流,的散热结构,结构设计,2,一体化,降低灯具系统热阻,尽量将散热有关的结构件（散热器与外壳，铝基板与散热体等金属部件）设计成一体化，有利于减小系统热阻。,结构的设计,3,增强,热传导效率，减小系统热阻,减少,热传导零部件，或者通过灵活使用导热物质，使热量无瓶颈均匀的传导到散热器,/,散发到空气中。,8.LED,灯具的散热模式,灯具内安装,散热鳍片,增加散热面积,适合于功率较小一般小于,30W,的,LED,灯；大于,30W,以上,的，由于热量在灯具内部难以散发，使温度逐步升高，造,成光衰。,风机加鳍片,增加对流散热效果,优点：散热效果好。,缺点：风机寿命不长，增加成本，增加能耗。,灯具上壳上设有散热鳍片,增加散热面积和与空气的对流,相对于散热器在内部的散热结构稍好。,灯具下壳设有散热鳍片,增加散热面积,由于热量与空气进行热交换时是通过对流散热，,此方法影响对流效果。,B1,风冷散热,风冷散热主要是通过安装风冷散热器来增大对流换热系数,但是为了提高风扇的功率和转速,风扇的体积和噪音就相对很大,并且给维修带来很多的不便,散热效果也不明显,1.,比较成熟的散热技术,B2,水冷散热,在封闭系统中，水在微泵浦的作用下进入了,LED,的底板小槽吸热，然后又回到小的水容器中，再通过风扇吸热。图,4,示出这种微泵浦结构。它能将外部热阻降为,0.192K,W,，并能进行封装。这种微泵结构的制冷性较好。,但如前两种结构一样，若内部接口的热阻很大，则其热传导就会大打折扣，而且结构也嫌复杂。,微泵浦结构,B3,热电制冷,又称作温差电制冷,或半导体制冷,它是利用帕米尔效应的一种制冷方法。当一块,N,型半导体材料和一块,P,型半导体材料联结成电偶对，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由,N,型元件流向,P,型元件的接头吸收热量，成为冷端；由,P,型元件流向,N,型元件的接头释放热量，成为热端。吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料,N,、,P,的元件对数来决定。,半导体制冷结构,B4,超导热管式,LED,灯具,（一）热管的原理,利用了,热传导,原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体,的热量迅速传递到热源外。,冷凝器部分,蒸发器部分,热量由热管的一端传至另,端。热管在实现这一热量,转移的过程中，包含了以下六个相互关联的主要过程：,(1),热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递,到（液汽）分界面；,(2),液体在蒸发段内的（液汽）分界面上蒸发；,(3),蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段；,(4),蒸汽在冷凝段内的汽液分界面上凝结；,(5),热量从（汽液）分界面通过吸液芯、液体和管壁传,给冷源；,(6),在吸液芯内由于毛细作用使冷凝后的工作液体回流到蒸,发段。,热管工作原理示意图,烧结管及应用示意图,大部分,LED,灯具选用,LED,烧结管作为导热元件。,特点：价格低、导热快、不易损坏。,（二）带热管导热,LED,灯具的结构形式,导热型,均温型,（三）带热管导热的,LED,灯具的特点,1.,热管只是增加热传导速率，但不具备散热能力。,2.,热管,+,散热片,+,足够的散热面积,+,足够的与空气对流的环境，才能解决,LED,散热问题。,2,发展趋势,-,新型热管技术,自激式振荡流热管,环路热管,它们作为传统热管技术的延伸，也是依靠液体相变实现换热的，传热能力较烧结热管提高,20-30,，具有传热效率高、结构简单、成本低、适应性好、热输运距离远等特点，是解决大功率,LED,灯散热问题最为有效的解决方案。,113,低温辐射涂料,为了加快金属散热翅的散热速率，可在其表面涂覆低温红外辐射涂料，据说可以使散热翅的表面温度下降,5-10,度。,采用阳极氧化的方法，将铝散热翅表面处理成黑色，据说也有不错的效果。,在金属散热翅表面制作纳米空洞，加快微对流、增加热辐射面积。,114,相变吸热材料的使用,使用比热容更高的相变材料来填充金属散热翅，通过相变吸热来实现快速散热。比如石蜡、水等。,115,灯罩散热,为了解决,LED,灯头过重、后向散热不便的问题，目前最新的开发思路是，象白炽灯一样，利用灯罩前向散热。,飞利浦公司首届,L,大奖作品,116,将灯罩中充入某种透明液体。兼顾导光和导热双重要求。（某公司已开发环保、低价填充液体）,GE,公司的前向散热灯，角逐,L,大奖。,散热材料可能为,AlN,导热陶瓷。,微泵浦结构,Sheng Liu,等人通过在散热器上安装一个微泵浦系统，解决了,LED,的散热问题，并发现其散热性能优于散热管和散热片。在封闭系统中，水在微泵浦的作用下进入了,LED,的底板小槽吸热，然后又回到小的水容器中，再通过风扇吸热。图示出这种微泵浦结构。它能将外部热阻降为,0.192K,W,，并能进行封装。这种微泵结构的制冷性较好。,但如前两种结构一样，若内部接口的热阻很大，则其热传导就会大打折扣，而且结构也嫌复杂。,微泵浦结构,小结,8-5,应用案例,