革去铝基板可以提高LED稳态光效.ppt

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,*,*,革,去铝,基板,可以,提高,LED,稳态光效,汪峰,摘要,：铝基板,(MCPCB),在,LED,灯具中随处可见，它起到传热和电路连接两大作用，然而铝基板在传热中存有多级热阻障碍，成为,LED,散热瓶颈，越来越多受到设计者的关注，并经提出了各种解决方法，然而由于传统光源结构缺陷，至今未见行之有效的解决方案，笔者从研究,LED,路灯提高系统光效入手，对如何降低,LED,内部和外部热阻、改进光源紧固结构压力、免用铝基板等问题进行分析和实验，设计了,“,一种与散热器直触式,LED,光源,”,新型光源，与传统光源相比其明显优点是：设有压力结构、不用铝基板、热沉接触面积大于同类传统支架,4.6,倍，有效降低了光源内部和外部热阻，使瞬态光效和稳态光效比超过,95%,，由于略去铝基板、采用高效复式散热器，单棵,1w,光源可加大电流至,2w,或,3w,使用，它对提高,LED,封装和灯具品质、降低制造成本具有广泛实用价值。,关键词,：铝基板热阻、免用铝基板、光源成本、,瞬态光效、稳态光效,引言,：业界普遍认为，,LED,散热是,LED,照明普及和发展的最大瓶颈，它是诱发光衰祸根，,LED,散热贯穿了从芯片、封装、灯具多个制作环节，需要一一剖析和解决，,LED,散热需要系统综合设计和管理。光源和散热成本是制约,LED,照明普及和发展最大瓶颈，要降低光源成本方法之一是朝大芯片大电流方向发展，采用,1.5MM,芯片使用高导热的银浆固晶可以加大工作电流密度，发出的光相当于两颗或几颗传统的,LED,芯片发出的光；方法之二是最快、最有效的方法是采用单颗普通芯片加大工作电流密度，在不降低光效或略低的稳定工作前提下尽量通过更大的电流，减少了灯具,LED,光源购置成本，当然，以上两种方案均需要有足够封装支架和外部散热条件来保障，这考验,LED,设计师对灯具品质和成本二者平衡能力。,LED,的光衰,众所周知，,LED,光效与工作结温成反比，目前,LED,光效在,100LM/W,左右，约有,20-30%,电能转换成光，剩余电能转换为热能，根据,LED,的,HATIZ,定理，,LED,工作温度为,25,以下时,使用寿命为,10,万小时,25-50,时,使用寿命为,5,万小时,50-75,时,使用寿命为,2,万小时,75-100,时,使用寿命为,1,万小时,100-125,时,使用寿命为,5,千小时,125-150,时,使用寿命为,2,千小时；通常,LED,结温每升高,10,，就会导致,58%,的光衰并且寿命减半的严重后果。,一、,LED,散热基础理论,由,CREE,和,OSRAM,等业者公布的光效数据得知，芯片,PN,结工作温度是在,TJ,7585,，在出光效率,85%,规定,条,件下才能确保工作寿命达,3-5,万小时，这给使用者规定了严苛的使用条件，按照上述条件，如环境温度为,50,(,国际上,LED,耐久性试验环境温度定为,50,),，,PN,结到环境温度总热阻必须控制小于,25,35/W,范围以内才实现,上述要求,，而目前主流,CREE,或,Osram,大功率,1W LED,封装结构，一般光源热阻在,8-13/W,，使用者必需让,LED,器件外部所产生的温度差小于,1525/W,，当试验环境温度为,50,时，散热器温度要在,6575,温度运行方可散热，,这仅靠自然对流散热方式需要足够大的散热面积，如果散热器温度在,60,度运行而系统热阻为,30,/W,，则,PN,结温度高达,90,度，就必然导致光衰，这也不难解释为什么一个,100,多瓦的,LED,路灯在环境温度,25,度时，使用高达,15-20 KG,散热器表面温度还高达,60-70,而产生严重光衰的原因了。,LED,瞬态光效和稳态光效,LED,光源所发出的总光通量（流明、亮度）与该光源所消耗的电功率（瓦）的比值，称为该光源的光效，单位流明,/,瓦（,lm/w,），,LED,本身的初始发光效率称为,LED,瞬态光效，它是被测光源测量瞬态热阻时采用施加热脉冲宽度定义在某一给定时刻的热阻瞬时阻抗，测量时通常给出大于芯片而小于基板的发热时间常数，所加热脉冲宽度在,1-,几百,ms,；稳态光效是当,LED,光源工作一段时间进入热稳定之后所测出的实际光效称之稳态光效，稳态光效决定了光源在,整体,灯具发热中所占热能一定比重，,LED,灯具只需测量环境温度与芯片结温之差则反映出该灯具的系统热阻值，系统热阻越低稳态光效越高。目前所有,LED,光源所标称的光效值均为瞬态光效，之所以以它为标准无非是它局限光源内部有限条件，简化测量过程，但它仅反映的是芯片在封装的发光瞬态特性，它除了包括,芯片本身的量子激发能力之外,还包括了,衬底、,银胶、荧光粉材料、封装工艺、支架结构等；,而稳态光效除了包括上述光源内部光输出特性之外，同时还包括光源之外使用条件，包括散热通道的热阻如铝基板、散热器、使用环境等诸多条件，稳态光效能全面反映光源的实际应用光效特性，是,LED,灯具系统光效的主要考量指标，由此可以看出,LED,稳态光效不应该是由某个,LED,芯片单顶指标来决定，还要包括封装工艺、材料、支架结构、外部,散热通道,热阻、环境温度等诸多条件共同来保障；盲目信从某种名牌芯片单项指标来定义光效高低和优劣是一个认识误区，不注重封装工艺和材料，不减少,LED,灯具系统热阻，势必事倍功半，耗资徒劳，实践证明使用普通芯片如果在封装工艺、降低系统热阻、减少灯具传热路径下功夫最终也会得到良好散热效果，也就是说用二等芯片只要降低系统热阻下功夫完全可以做到或超过一等芯片的高光效。用瞬态光效和稳态光效之比，可方便直观比较不同芯片、不同材料在其它条件相同时所制造,LED,光源之优劣。,LED,內部热阻,1.LED,芯片接触热阻，由于,LED,芯片体积很小，与热沉接触面积有限，瞬间聚集热量不能很快传导到热沉，产生界面接触热阻。,2.,绝缘衬底热阻，无论何种绝缘材料都有很大热阻。其中,碳化硅衬底比蓝宝石衬底热阻小十多倍。,3.,固晶层热阻，固晶胶体导热性能和适量注入决定它热阻大小。,4.,热沉热阻，它与材料的导热性能和与外界接触面积压力大小有关。,图,1,是常用正装晶片,/,银胶固晶工艺封的,LED,内部总热阻分析,:,导热路径,有源层,衬底,固晶层,热沉,材料,InGaN,Al2O3,银胶,Gu,(W/,mK,),170,42,5,264,L(mm,),0.005,0.1,0.02,1.85,1.0,S(mm,2,),1.0,1.0,1.0,7.07,19.62,环节热阻（,/W,）,0.029,2.38,4,1.18,总热阻,thjs,7.60(K/W),LED,外部热阻,1.,热沉下层的导热硅胶热阻，它的导热系数只有铜的,1/100,左右。,2.,热沉与铝基板的接触热阻，它与两个界面接触面积和压力大小有关。,3.,覆铜板热阻，它与材料导热性能及面积和厚度有关。,4.,铝基板热阻，它与材料导热性能及面积和厚度有关。,5.,覆铜板与铝基板之间的绝缘薄膜,6.,绝缘薄膜与铝基板之间,粘胶产生热阻。,7.,铝基板与散热器之间的,导热硅胶,产生热阻,，,大面积铝基板,(,如,LED,路灯、投光灯,),涂抹导热硅胶很难将夹层内多余的导热硅胶压挤出来。,8.,铝基板与散热器的接触热阻，它与两个界面面积和压力大小有关。,9.,散热器热阻，它与散热器面积大小、形状、摆姿有关，垂直安装和平行安装散热效率相差,30-50%,之多。,10.,空气热阻与环境温度和对流速度有关，温差越大对流越快散热越好。,传统,LED,散热通道,目前世界上各大,LED,照明公司通常的,LED,散热方法是首先把,LED,芯片粘接到金属热沉上，其通道为,LED,芯片热沉导热脂（绝缘）铝基板（导热垫片或硅脂）外部散热片空气。,各环路热阻之合为系统热阻。,二、,LED,灯具散热分析,接触热阻,一般认为在两个导热体接触两个侧面应保持同一温度，而在实际工程中由于任何固体表面之间的接触都不可能是紧密的，接触面两侧存在温度差如图,3,所示：,有报导称，当接触压力不足时两个传热界面将有,80%,以上空隙存有空气，在这种情况下，两壁面之间只有接触的地方才直接导热，在不接触处存在空隙，热量必须通过充满空隙的流体,(,胶,),的导热，接触热阻与两个导热界面的接触面积、光洁度、结构压力以及所用的导热胶质量有关，这对以多级畀面接触传导为主的,LED,灯具来说，必需设计足够的压力结构，由于目前传统大功率,LED,产品缺少结构压力，仅靠两个引出脚来固定，没有压力结构，,LED,热阻增加，稳态光效难以提高，产品失效率大。,铝基板热阻,铝基覆铜板是一种金属线路板材料、由铜箔、导热绝缘层及金属基板组成，它的结构分三层：如图,4,所示线路层：相当于普通,PCB,的覆铜板，线路铜箔厚度一般,35m280m,。,绝缘层：绝缘层是一层低热阻导热绝缘材料，厚度一般,75m100m,。基层：是金属基板，一般是铝基覆铜板。厚度一般,0.5-2.0MM,。,铝基板存在多级热阻包括：铝板、覆铜板、绝缘薄膜和绝缘胶，目前市场流通的铝基板大都是在纤维布上涂一层胶，它的热阻一般在,1.5-3.5,度,/W,左右，铝基板热沉之间的接触热阻，铝基板与散热器之间的接触热阻，铝基扳上下两个端面之间涂抹的导热硅脂所产生热阻，目前导热性能最好的导热硅脂的导热系数约为,6W/m,K,左右，但它与铜铝材料相比，其导热系数和只有,1/100,左右，且价格昂贵；导热硅脂在高温环境中使用一段时间后会出现,“,干枯,”,，进一步增大了系统热阻，加速了,LED,光衰老化；尤其是大功率,LED,路灯所使用的大面积铝基板需要较强的压力结构才能将夹层内多余的导热硅脂压挤出来。测试表明，通常,LED,芯片结温到热沉底部有,6-13,摄氏度温差，热沉底部与散热器约有,3-8,摄氏度温差。散热器底部比散热器外部,(,散热鳍片,),有,3-5,摄氏度温差，从,LED,结温到外部环境温差一般都在,20-35,摄氏度以上，芯片到空气会遇到内部热阻和外部热阻多级传热障碍，给设计者提出严重挑战。,降低系统热阻是解决,LED,光衰根本,LED,散热属低散热，通常以传导和对流方式进行热交换，热体与环境温差和空气流速有关，温差大、气流大散热快，无温差、无风速散热无法进行，目前很多设计者往往考量散热器的温度越低越好，这种认识有误区，恰恰相反，在散热面积相同情况下，散热器温度越高，与环境温度差值越大，则对流作用越强，散热效果越好，比如，一个散热面积大小相同的灯具，如果一个系统热阻小，另一个系统热阻大，系统热阻小的散热器的表面温度往往要高于系统热阻大的灯具，所以仅测量散热器表面温度高低不能说明,LED,灯具散热好坏。,基于以上分析，,LED,结温通过热沉传导到铝基板，铝基板再传导到散热器，散热器通过对流和幅射传到空气。一个优良,LED,灯具，其总热阻应该小于,15,到,25,/w.,，而实际应用系统热阻往往要大出许多，这是由各部件离散性和装配工艺随机性造成，如散热器在环境温度,50,度运行时，温度必然随之升高，否则等温是不会散热的，一直升到与环境温度有一定温差之后，达到热平衡为止,，,如系统热阻 大于,30,/w.,，则环温,50,度,=80,度，当外界空气不能快速流动时，一味采取加大散热器面散热器的做法收效甚微，温度再难以降低了，所以只有降低,LED,发光管,PN,结到空气的传热路径、降低系统热阻，减少,LED,芯片结温到环境温差，才是解决,LED,光衰的根本。,如何降低系统热阻,1,、降低,LED,芯片本身的热阻：使用较大的芯片和增大热沉面积选用效,能更高的导热材料。,2,、减少散热通道环节，尤其是铝基板，革去它可大大降低系统内阻。,3,、材料架构：相同材料厚度,d,与热阻,R,是成正比的。材料越厚热阻越大，长,度（,L,）越短热阻越小；面积（,S,）越大热阻越小。,4,、散热器界面有足够的压挤力，均衡而紧密。,5,、强化空气对流，降低环境温度，,目前大功率,LED,灯具如,LED,路灯，散热大多采用卧式平板式散热结构，实践证明这种结构有缺点，一是由于拉挤或铸造工艺所限单位重量散热面积不大，二是由于卧式平放散热片根底部难以形成对流通道，中心部位会产生热堆积，导致散热效率不高。从自然散热方式讲，采用垂直式散热器（如太阳花式和金属蜂窝散热器），它具有单位体积散热面积大，空气顺向垂直流动等优点，其散热效果明显优于平板式散热器，但是在使用中会遇到热源横向截面接触面积不足，也即热源传热时与横断面接触受到限制，产生很大热阻，目前主要应用在小功率,LED,灯具如射灯和灯泡等，用于大功率,LED,路灯还不多见。,现有主流封装结构之缺陷,实践发现，目前所谓传统主流封装大功率,LED,发光管,如,CREE,或,Osram,大功率,LED,发光管有如下缺点：其一是电极引脚外露影响美观，其二是热沉基座界面过小导致热量传导受阻，其三是它仅靠两个电极引脚焊接在铝基板上来支撑固定，缺少紧固压力结构，难以将两个导热界面贴紧，导致接触热阻过大；其四是它必须依赖铝基扳,(MCPCB),做电路连接和对外散热器传热，这种结构不仅焊接困难，而更重要的是使用铝基板会增加多个散热通道的热阻：覆铜板、粘胶、绝缘薄膜、铝基板、铝基扳正反两面导热硅脂，而铝基扳底层大面积热硅脂不仅费用高，由于压力结构不强，很难将夹层内多余的硅脂压挤出来，而且使用一段时间后会出现,“,干枯,”,或,“,硬化,”,现象，实践表明：铝基板与散热器之间工作温差一般要超过,3-8,度。,三、一种革去铝基板的大功率,LED,封装技术,为了解决现有传统技术缺陷，笔者设计了一种结构简单、低热阻、高光效、使用灵活的,“,一种与散,热器直触式,LED,光源,”,其持征在于：在电,路板开有与,LED,主体出光口外台相匹配的,通孔，将,LED,主体套入孔内，电路板通过,螺丝压紧将,LED,主体热沉构件直接固紧在,散热器上，由于,LED,主体与散热器之间无,需再经过铝基板传热，从根本上取消了铝,基板多级热阻障碍，有效提高了,LED,光效，,减少光衰，本发明与传统光源相比，以最简单的方法制造出低热阻、高光效、使用灵活的,LED,光源，大幅度降低了灯具制造费用。,采用上述技术解决方案所能达到的有益效果是：,1,、本发明一种与散热器直触式,LED,光源属于通用器件，可广泛用于各种,LED,照明，由于取消了铝基板传热，从根本上消除了铝基板多级热阻障碍，使大功率,LED,稳态和瞬态光效比大幅度提高，有效地减少,LED,光衰。,2,、本发明所设计了大于常规,4.6,倍的热沉构件，增大了与散热器接触面积，使光源的温度得到快速传递，芯片温度接近散热器的温度，因此可承受更大功率的承载能力，单颗光源可以增大使用电流，发出的光强相当于两颗或几颗传统的,LED,芯片发出的光，大大降低了制造费用。,3,、本发明设螺丝紧固结构，可将热沉下面多余硅胶挤出夹层，进一步减少了,LED,灯具的系统热阻。,4,、本发明电极引脚可置于电路板低层，可向上、下任意弯翘，使用非常灵活，表面无外露引脚和导线，工艺美观整洁。,新型光源与传统光源综合效益分析性能对比表：,传统光源,新型光源,优劣对比,热沉散热面积,24,平方,MM,111.18,平方,MM,高于传统,4.6,倍,LED,内部热阻,6-12,/W,4-8,/W,高光效、低光衰,对铝基板依赖,必须,免用,高光效、低光衰,系统热阻,大,小,高光效、低光衰,电路连接,铝基扳,PCB,板或全免用,节约制造成本,导热硅胶用量,铝基板上下两层,仅热沉下面一层,节约制造成本,接触压力,无,螺丝紧压,高光效、低光衰,功率承载能力,1-3W,3-5W,元,/W,成本低,外观工艺,管脚外露,管脚可不外露,工艺美观、可靠,四、革去铝基板新技术的应用实例：,一种大功率,LED,路灯,用新光源设计的一种,LED,路灯，与现有技术相比明显优点在于：,1.,新型,LED,光源，大于传统,4.6,倍的热沉和免用铝基板结构，有效降低了光源内部和外部热阻，提高了系统光效,(20%),，延长了,LED,使用寿命。,2.,新型,LED,光源在保障散热情况下，可以电流增倍使用，光效基本不变，用户只用单棵,1w,光源可提高到,2w,使用，大幅降低了元,/W,购置成本。,3.,真正简约模块化结构，从数十瓦到上百瓦任意合成，模组化、系列化。,4.,釆用垂直贯通散热技术，散热器基板中心设有若干通风口，散热器四周通透，热流上下垂直流动，阻力小、速度快，散热效率可提高,50%,。,5.,每个模块单元可单独左右改变射光方向，最大限度满足广角射程。,6.,30,度灯体连杆可调，结构简单，安装方便。,7.,免灌胶防水电源,(IP68),，发热元件紧贴壳壁充分得到散热，解决了电源因散热不良易于损坏，不仅降低重量也节约电源制造成本。,因为专注才能出类拔萃,唯有创新才能超群绝伦,五、结语,LED,散热是个行业性技术难题，它跨越了从芯片、封装、灯具整个,LED,产业，从外延、封装材料、支架结构、灯具结构、散热方式等一系列问题需要逐步认识和解决，完全彻底解决尚需时日，本人所设计的新光源从结构上革去铝基板不仅减少了多级热阻障碍，同时还增加了热沉散热面积和加强了紧固压力，三项技术措施可大幅度提高,LED,稳态光效，与现有技术相比明显优点在于：用二等芯片只要在降价系统热阻下功夫完全可以做到或超过一等芯片的高光效，新型,LED,光源在保障散热情况下，可以电流增倍使用，光效下降甚少，用户只用单颗,1w,光源可提高到,2w,使用，大幅降低了元,/W,购置成本，这对提高,LED,封装和灯具品质、降低制造成本具有广泛实用价值。,作者简介：,汪绍芬,(,汪峰,),男,1941,年出生，天津市人，大学文化，电子机械专业，工程师，先后担任过技师、总工、厂长、公司经理等任职，有较深电子和机械技术功底，近年申报多项,LED,发明专利，本人思想敏锐、善于学习、富于创新、有较强的技术研发领导和执行能力。,Email,：,wf13926531263,参考文献,1.,高功率,LED,散热技術與發展趋势,,.tw/tw/dt/n/shwnws.asp?CnlID,=13&id=0000167775_W25884HV6AJP5R6DRII0D&ct=1%22,2.,正面思考如何提升,LED,道路照明可靠性,,2010,年,LED,散热基板的趋势,