LED导热传热散热技术

发光面的散热难题
• LED发热是360度的，发光面传统封装方式 为硅胶加荧光粉加透镜，导致发光面热导 不出。 • 现在最好方法是用荧光晶体代替硅胶加荧 光粉加透镜，荧光晶体的导热系数14W/M.K， 本身就是热良导体。散热良好。
发光面的散热难题
发光面的散热难题
封装面绝缘高导热—ACLED应用必须 环节
微观散热笔者新发展理论
• 因有声子的高频运动，产生了交变电磁波，热 能转换成电磁能向空间辐射。最明显的是用电 子测温汁测温，因表面有高频交变磁场，测温 测不准。必须使用频域很宽的热探头或使用远 红外温度测试仪测温。 • 在组方中，加入温度范围更宽的热电波转换材 料，用来将热转换成频域更宽的电磁波向空间 发射。 • 也可以用技术手段加速热流运动的频率，就象 加速电流运动频率一样，进行主动散热
第四章 宏观散热理论
• 宏观散热是传统<<热学>>研究的范围。 • 本讲座只研究具体宏观散热方式 • 宏观散热方式为：1.自然散热；2强制散热。 限于篇幅 ，具体计算方法不展开。
1.自然散热方式
• 自然散热方式：
• 散热过程最终是热量传到空气中，由空气流动（对流）将热量带走， 散热片的辐射传热所占的分量非常低，因而不于考虑。空气流动带走 的热量（即散热量）Q： Q=Cp · · (T2-T1) (1) Cp——空气的比热，为定值。 ——空气流量。 (T2-T1)——散热片出口处空气温度T2与进口处空气温度T1的温差，出口 处空气温度T2最高不超过散热片的壁面温度Tw，即(T2-T1)有最大可能的 数值 •
• •
微观散热精典理论
• Debye（1912）修正了原子是独立谐振子的 概念，而考虑晶格的集体振动模式，他假 设晶体是连续弹性介质，原子的热运动以 弹性波的形式发生，每一个弹性波振动模 式等价于一个谐振子，能量是量子化的， 并规定了一个 弹性波频率上限 ，称之为德 拜频率。
微观散热精典理论
• Einstein 模型和 Debye 模型都是对晶格振动的 一种近似描述，它使我们对晶格振动的基本特 征有了更加清晰的认识：在简谐近似下，可以 用相互独立简谐波来表述；这些简谐波能量是 量子化的。描述晶体原子运动简谐波的能量量 子叫声子。根据以上原理，我们利用纯铝为基 材，采用量子调控技术，加入热运动简谐振动 频率高的声子材料，并加入扼制非筒谐运动的 声子材料，制成比热容高，热平衡速度快，与 空气热交换频球泡灯设计成密封的艺术品
强制散热方法
• 二、非机械(自然)强制敢热方法 • 1.热管(含平板等异形热管)
热柱散热器
2.无外动力自循环磁性液体散热
• • • • 磁性液体 定义 磁性液体又称磁液、磁流体、磁性流体或铁磁流体，是由强磁性 粒子、基液以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状溶液。该 流体在静态时无磁性吸引力，当外加磁场作用时才表现出磁性，它既 具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性，正因如此，它才在实 际中有着广泛的应用，在理论上具有很高的学术价值。 在电子仪表、机械、化工、环境、医疗等方面都具有独特而广泛 的应用，根据用途不同，可以选用不同的基液的产品。 特殊性质 1）表现为超顺磁性，本征矫顽力为0，没有制磁； 2）光通过稀释的磁性液体时，会产生光的双折射效应与双向色 效应； 3）超声波在其中传播时，其速度及衰减与外磁场有关，呈各向 异性。
形成新声子的动量方向和原来两个 声子的方向相一致，此时无多大的 热阻。 ------正规过程
微观传热理论
q1 ，q2相当大时， q2 q1 q3 Kn q 1 + q2 Knew ≠0， 碰撞后，发生方向反转， 从而破坏了热流方向产 生较大的热阻。 翻转过程（声子碰撞）
热阻： 声子扩散过程中的各种散射
推荐封装与安装模式
• • • • • • • • • • • 在LED发光面不加 透镜，利于LED发 光面热散出去； LED光源直接与 散热器接触， 热传导通路畅通。 铝散热器氧化层 去除，使热通路 更加通畅 高效导热膏使热 传导接口无障碍
高导热系数导热胶
• 声子传热导热膏，利用特殊晶体材料，实 现声子非简谐振动，格波弹性变化率高， 传热、导热速度快。迅速将LED光源内热导 到散热器上。 • 该导热系数大于56-1000w/(M.K)，使LED外 热迅速传递到散热片上。这种胶不怕干， 其作用是填充晶格。而传统的胶不能有这 种作用。
微观散热笔者新发展理论
• 高频声子散热铝的基本散热原理：利用热运动 简谐振动频率高的声子材料，并加入扼制非筒 谐运动的声子材料，制成比热容高，热平衡速 度快，与空气热交换频率高的高效散热材料。 热能转换成电磁能向空间辐射散热。基本特征 是：比热容为0.953J/(g.K)，传统散热铝为0.78 J/(g.K)左右。热上升平衡时间与断热下降平衡 时间短，为5-6分钟，而传统铝为30-40分钟。 最具优势的是：因散热速度快，靠近热源端温 度低于远离物源端5-10℃。
• • • •
。
从公式（1）可以分析得出，最有效提高散热量的方向是提高空气流 量。
1.自然散热方式
• • • • • • • • • • • • • • • • 自然对流传热过程中，驱动空气或其它介质流动的动力是：空气其它介质受热温度升高，比 重下降而产生的浮力F： F=∫V g(ρo- ρa )dv=∫V gρo(1- ) dv (2) g——重力加速度。 ρ——空气密度。 V——散热器的体积。 ＴO——环境大气温度。 Ｔa——散热器内的空气温度。 空气流经散热片，散热片产生的阻力ƒ： ƒ= ∫S α · g · ρ · u2 · ds (3) S——空气流经的表面积，即散热片的散热面积。 α——流动阻力系数，与散热片的结构，空气流动形式密切相关。 u——空气在散热片内的流动速度，流速u越高空气流量 也就越大。 散热片的散热量Q还应满足以下公式： Q=∫S h (Tw—Ta) ds （4） h——对流传热系数。 (Tw—Ta) ——散热片壁面温度Tw与散热片内的空气温度Ta的差值，散热片的温度Tw受LED芯片结 点温度的限制。
微观散热笔者新发展理论
• 热子是热能近距离向空间(或介质)幅射散热 的主要方式，其表现形式为宏观，是声子 将其运动到表面区域，更多的热能积聚在 物质表面。提高其散热效率需运用宏观热 学方法来解决。这里不展开。 • 光子是热能转化成不可见光波向空间发射 散热，可以是远距离的。可以用技术手段 来丰富热子转化成光子的频域，加大散热 效率。
第三章 散热微观理论
进 入 引 起
散热与传热是物质热运动的两种不同形式
引 起
电子缺陷和热缺陷 表 现 为
能量表现为 振动的振幅的增加 增加的方式 振子的能量增加
晶格波（振子）
单位增加振子能量（即能量量子化）
微观散热运动波的性质
物质微观散热的本质
• • • • 物质散热表征的本质指标是比热容； 比热容指标本质是物质晶体以简谐振动的热运动方式运动。这种运动 方式具有波的形式，称为晶格波，是在弹性范围内原子的不断交替聚 拢与分离。 晶格振动是量子化的。 固体热容由两部分组成：一部分来自晶格振动的贡献，称为晶格热容； 另一部分来自电子运动的贡献，称为电子热容。除非在极低温度下， 电子热容是很小的（常温下只有晶格热容的1％）。这里我们只讨论 晶格热容。 散热不仅涉及到物质内部波的运动，而且还涉及到与介质热交换的波 的频率。更丰富的频域电磁波。 根据以上原理，我们利用纯铝为基材，采用量子调控技术，加入热运 动简谐振动频率高的声子晶体材料，并加入扼制非筒谐运动的声子材 料，制成比热容高，热平衡速度快，与空气热交换频率高的高效散热 材料。
• 现有LED装配结构问题 • 1.基本上是1WLED/珠，无紧固装置，需用低导热系数但 粘接力很大的硅胶固定。不能将LED热迅速传到铝基PCB 板上。 • 2.1W/珠LED需用数十--百珠以上，铝基板面积很大，用 1.5—4W/M.K导热胶与散热器粘接，导热能力不足。 • 而且因铝基PCB面积庞大，变形是必然的，接触面因而 减小，造成接触热阻增大。 • 以上几种原因，形成LED热流不畅，热积累不能释效放， 热阻力增大，温升升高。 • 下面是不良LED装配图件
低热阻封装技术
• 1.生长LED晶体可采用铝酸锂衬底，封装时 用化学方法去掉衬底，以保晶片传导顺畅。 • 2.改变荧光粉加硅胶的发光面封装方式，变 为白光荧光晶体发光，减少发光面热阻。 • 3.采用高导热系数固晶胶 • 4.采用高导热系数且绝缘的封装基板
去掉衬底—传热新途径
• 传统LED晶片衬底兰宝石，导热系数低，影 响LED发热量导出，但因去衬底麻烦，人们 都放弃了。 • 采用LiAl晶体做衬底，可以轻松地用化学方 法去除衬底，让发光晶片热顺利导出。
高频声子散热铝散热成像图
微观散热笔者新发展理论
• 小结:LED散热是声子,热子,光子,磁子热能量量子(准粒 子)综合运动的结果。 • 其中声子是以准谐振方式(波的形式)进行散热主运动， 是在物质的内部。是典型微运动。声子运动频率越快， 与介质交换的速度越快，散热效率越高。 • 爱因斯坦、德拜只研究了物质内部热动规律，而没有 触及物质内部热与外部热作什么样的热能量交换。 • 提高物质散热运动效率的方法:1.运用声子运动频率快 的物质。2.运动主动技术手段，使声子可以主动加快 运动，就象电磁运动加快电流运动频率一样方便。
• 金属基面高导热绝缘技术，是交流LED封装 技术的首要安全条件。 • 高导热绝缘技术主要是在金属基面沉积或 原位生长高导热陶瓷。 • 沉积方法有等离子喷涂；电镀生长；原位 生长氮化铝；聚合物陶瓷先驱体烧结。 • 应用关键是哪种方法易于大规模工业化低 成本生产。
AC LED
笫二章 LED导热笫二关 高导热系数导热胶
LED导热传热散热技术
• 作者 茆学华
第一章 LED导热笫一关----封装
LED热流模型
热阻模型
大功率 LED热阻
• 结合大功率LED热流模型和结构，我们不难 看出，影响大功率 LED热阻的主要因素有： 1. LED晶片的导热能力； 2. 固晶粘合胶的导热能力以及粘合 的品质； 3. 器件（包括晶片）热通道的长度； 4. 灌封材料的热导能力； 5. 热沉的热导能力。
荧光晶体衬底上封装LED 是导热更好方法 • 在吸收兰光能发白光的晶体上直接封装LED 或直接生长LED，减少传热途径，减少量子 转换效率损失。
高导热率固晶胶 LED封装成败关键
• 现有LED封装成熟固晶方式是采用两种方式， 1是固晶胶粘贴；2是共晶焊。 • 这两种必须解决两个关键问题：1是固晶胶 导热系数问题；2是固晶面接触面积问题。 • 固晶胶要求导热系数大于56W/M.K 。我们 现在用的是大于70W/M.K。 • 最好要避免固晶面接触面积问题， 减小接 触热阻。
LED传热新技术
• • 1.LED晶体与散热体直接封装成一体，减少传热路径。 2.采用微通道热板，平板热管作封装基板，加大传热速度与热扩散面 积
：
•
微观传热理论
从晶格格波的声子理论可知，热传导过程------声子从高浓度区域到低浓度区域的扩 散过程。是以非简谐振动方式运动的。传热仅涉及物质内部碰撞或扩散的速度。因此， 从一定程度上，散热快的物质，传热速度不一定快，传热快的物质，散热速度不一定 快。
1.自然散热方式
• 散热自然对流增效方法： • 1.采用挠动设计方法，破坏介质层流层，使 散热效果提高。用旋转太阳花、挠动空气 旋转装置、烟囱的抽吸原理都是好方法。 • 2.增大散热面积； • 3.其它。
强制散热方法
• • • • • • 一、机械强制散热方法：1.电磁泵液体散热， 液体有液体金属、高导热水、油等。 2.电致冷 3.机械制冷 4.声制冷 5.微喷制冷 6.超静音长寿命小体积风扇是设计大功率小体积的最佳选择。
微观散热笔者新发展理论
• 磁子散热原理，由于热声子运动频率加快， 引发除光子以外的电磁运动，也就是热能 转成电磁波向空间幅射。 • 其表现捕捉到现象是热电偶测温偏离，原 因是带宽不够。 • 进一步研究:各种物质散热声子运动的频率， 可供选用。 • 进一步研究：那一种晶体结构，简谐声子 运动频率快。