LED散热基础知识

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金 银 铜 硅 氮化铝 锡 铁 AA6061型铝合金 AA6063型铝合金 AA1050型铝合金
材料
热传导系数 (W/mK) 317 429 401 237 48 62.8 75.4 155 201 209
O B
I M Y
热膨胀系数(1/℃) 0.0000144 0.0000196 0.0000166 0.00000249 0.0000042 0.0000023 0.00001176 0.0000236 0.0000234 0.0000236
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2,通过散热器的流体(气流)流场的情况. 散热环境的气流形态一般分为自然对流,低速混合流 动,高速强迫对流. 不同的气流条件,在同一散热要求则需不同的散热体 积(包络体积).下表列出一些典型的散热片在不同流体 状态下的计算体积热阻范围. 体条件 m/s(CFM) 自然对 1.0(200) 2.0(500) 体积热阻 cm3℃/watt(in3℃/watt) 500~800(30~50) 150~250(10~15) 80~150(50~10) 50~80(3~5)
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热阻大表示热量不容易传递,致使热量积聚引起相关部件产生的温度较高,藉由热阻 可以判断及预测组件的发热状况.电子系统产品设计时,为了预测及分析组件的温度,需 要使用热阻值的资料,因此组件设计者则除了需提供良好散热设计产品,更需提供可靠的 热阻资料供系统设计之用.
影响LED封装热阻的主要因素 1.封装结构 2.封装尺寸 3.芯片尺寸
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By johnson 2010/07/14
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LED为什么要散热.
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理论上LED总的电光转换效率约为54%(这是非常理想的情况下的估计结果,而制造工艺 中的任何疏漏,材料上的任何缺陷均将造成其能量转换效率的下降),而基于目前LED技术发 展的水平,见诸报导的最高的电光转换效率还不到理论值的一半,而实际应用中更多的是不 足其理论值的1/4!剩余的电能将以热能的形式释放,这就是LED产生热的原因. LED的热性能直接影响其: 1,发光效率-温度上升,光效降低. 2,主波长-温度上升,蓝光向短波长漂移,其它颜色向长波长的漂移(红移). 3,相关色温(CCT)-温度上升,白光的相关色温升高,其它颜色的相关色温降低. 4,正向电压-温度上升,正向电压降低. 5,反向电流-温度上升,反向电流增大. 6,热应力-温度上升,热应力增大. 7,器件的使用寿命-温度上升,器件的使用寿命减短. 8,如果LED封装有荧光粉,环氧树脂等,温度的上升还将导致这些材料发生劣化. 上述也只是温度过高对LED部分性能产生的影响,实际上受影响的因素远不止这些,包 括一些潜在的,未知的!因此在LED的使用过程中,特别是功率型LED,要严格控制其相关的 温度,也就要求对LED相关产品要有良好的散热设计. 热设计的目的是控制产品内部所有电子元器件的温度,使其在所处的工作环境条件下不 超过标准及规范所规定的最高温度.最高允许温度的计算应以元器件的应力分析为基础,并 且与产品的可靠性要求以及分配给每一个元器件的失效率相一致.
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现有的对LED结温测试常用的方法有:微型热电偶法,红外测温法,电压参数法,光谱法,光功率法, 光热阻扫描法等.每一种方法都有其适用性和局限性.
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散热器的设计及选择.
主要步骤
定义热边界条件
估算系统热阻
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估算散热器热阻
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I M = Y R
JA
系统总的热耗散功率 (Q) 最大工作环境温度 (TA) 元件最大允许工作温度 (TJ)
热传导
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热阻:表征阻止热量传递的能力的综合参量
热阻一般以R或θ表示 对应于三种传热方式其热阻计算公式如下:
导热热阻:R=L/(KA) 其中L为平板的厚度,A为平板垂直于热流方向的截面积,K为平板材料的热导率. 对流换热热阻:R=1/(hA) 其中h为对流换热系数,A为换热面积. 辐射热阻: 对于两个物体表面的辐射:R=1/(A1F1-2)或1/(A2F2-1) 对于物体与环境大气的辐射:R=1/(hrA) 其中A,A1和A2为物体相互辐射的表面积,F1-2和F2-1为辐射角系数,hr为辐射换热系数.
R12 =L/(KA) =(T1-T2)/Q
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接触热阻
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当热量流过两个相接触的固体的交界面时,界面本身对热流呈现出 明显的热阻,称为接触热阻(Rc).产生接触热阻的主要原因是,任何外 表上看来接触良好的两物体,直接接触的实际面积只是交界面的一部分 (见图),其余部分都是缝隙.热量通过充满空隙的流体的导热,对流和 辐射的方式传递,而它们的传热能力远不及一般的固体材料. 接触热阻使热流流过交界面时,沿热流方向温度T发生突然下降, 这是工程应用中需要尽量避免的现象. 减小接触热阻的措施是: 1,增加接触部分的面积. 增加接合压力,减小接合面粗糙度,提高结合面的平面度均可 增加接触部分的面积. 2,选择导热率大的界面流体. 自然状态下界面空隙的流体多为空气,而空气的导热系数极低 (0.023W/mk),而在界面处涂上有较高导热能力的胶状物体——导热脂, 则能有效的降低接触热阻.导热硅脂导热系数一般>1W/mk.
热传导和对流需要借助介质进行,而热辐射则不需 要(如真空中)
热对流 热辐射 热传导
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物体表面与移动பைடு நூலகம்体之间热对流
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物体表面之间的热辐射
在LED灯具散热中同时存在以上三种传热方式 从LED芯片产生的热量主要以热传导的方式依次 通过LED封装结构件,电路板,灯具散热结构件,最 后以对流换热(热对流和热传导)和热辐射的方式把热 量从散热结构传至环境空气中.
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以上三种热阻或其综合热阻也可用以下公式定义: R12=(T1-T2)/Q (T1>T2)
其中T1,T2为某两点位置的温度,Q为通过1,2点的传热速率,则R12为1,2点之间的热阻. 如果T的单位是℃,Q的单位是W,则R 的单位是℃/W.如果T的单位是K,则R 的单位是K/W. 虽然热阻单位不同但其值是等效的,即1℃/W=1K/W. 工程实际应用中多以此公式计算热阻.
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对于高功率LED,短时间运行其最高允许结温为125 ℃,长期运行其最高结温建议不超过110 ℃; 对于低功率LED,其最高允许结温为80 ℃.(不同芯片厂商的数据有所不同,上述数据为取各厂商中最严格的标准)
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热量传递基本方式:热传导,热对流,热辐射.
固体或静止流体中热传导
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与上述非永久性的界面不同,许多界面涉及永久性的粘接部位.这种结合可以由环氧树脂,富铅的软焊剂 或金/锡合金等这样的硬焊剂形成.由于原材料和结合材料之间的界面热阻,连接部位的实际热阻大于连接 材料的厚度L和导热率K计算的理论值(L/K).在加工制造或正常运行期间,由热循环造成的空隙和裂缝也会 对环氧粘接和焊剂焊接处的热阻产生不利影响. 虽然已经发展了一些预测Rc的理论,但最可信的数据是基于实验得到的.对于单位面积交界面,接触 热阻可定义为:Rc=(T2A-T2B)/Q,其中T2A,T2B为两交界面的表面温度,Q为通过交界面的传热速率.接触热 阻的单位为(㎡K)/W或(㎡℃)/W.
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在满足导热性能的条件下,应尽可能选择 低成本之材料.目前应用在LED照明中的 散热器,其材料多为性价比优良的铝合金. 由热变形及热应力所造成的影响在芯片级 及板级散热要比在系统级散热大得多.大 的热膨胀系数在同样的温度下会引起大的 结构变形及应力,而变形和应力有可能导 致诸如线路板各功能层的微观分离,芯片 金线的断裂,焊接层脱裂等现象,进而导 致传热热阻的增大,温度升高,产品功能 性失效等后果.
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RJS RSB RBA
TJunction
芯片级
Q
Tsolder point
板级
TBoard
系统级
TAmbient
Ambient
热阻网络
RJA= RJS+RSB+RSB=(Tjunction-TAmbient)/Q
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串联热阻.
TJunction
TJunction
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TAmbient
RJA
1 RJB ,Total
1 = ∑ i =1 R JS ,i + RSB ,i
N
i
TBoard RBA
RJA,Total=RJB,Total+RBA
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热阻的应用.
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处在产业链上不同位置的制造商,其需要获得或测定的产品热阻数据会有所不同.例如芯片封装制 造商则需在他们的产品规格书里面至少要提供Rjs的值,而对于LED应用制造商来说,更多的是需要从他 们的供应商哪里获取相关的热阻数据,以应用在对自己产品的设计和测试上. 其中封装热阻(RJS)在LED应用中是非常重要的一个热阻数据,对于绝大多数封装完成的LED要直接测 量其结温(TJunction)变得比较困难,而测量电极引脚的温度(可近似替代Tsolder point)则非常容易.在一 定的输入电流下,LED的热功率(Q)=LED输入的电功率(P)- LED光功率(P),而目前封装厂商提供的RJS 几乎都是以LED的输入电功率(P)替代LED的热功率(Q)来进行计算的,所以工作在某恒定电流下的LED的结 温(TJunction)可以通过下述公式很容易的推算出来: Tjunction =I*U*RJS +Tsolder point 其中, Tjunction为LED结温(℃ ) ,I为LED前向电流(A),U为LED前向电压(V),RJS为LED结点(PN结)到LED 封装焊盘或引脚的热阻( ℃/W),Tsolder point为LED引脚或底部焊盘温度(℃ ). 同样的,PCB的热阻(PCB制造商多以导热系数值提供),散热器的热阻及其它与传热相关的主要部件的 热阻都可以由相应的供应商提供或经行测试得出,然后通过各热阻的串联,并联关系式计算出系统热阻 (RJA).由以下公式则可估算出系统(例如LED灯)工作在不同环境温度,不同耗散功率下的结温: Tjunction=I*U*RJA+TA 其中TA为环境温度. 需要注意的是,由于存在接触热阻的问题,以及产品组装工艺的差别,实际的产品装配后的热阻(如RJA, RJB)会比理论计算的值大,这样用理论值计算出的温度就会比实际的温度偏低,这就需要各热设计工作 者根据经验来加上一个合理的安全阀值或修正系数等手段保证产品的散热可靠性.
RJB
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TBoard
RJS
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TJunction Tsolder point TBoard TAmbient
串联热阻通式:
G N
∑R
i =1 N i
R Total =
RSB
例如对于单个LED贴装的结构: RJB=RJS+RSB RJA=RJS+RSB+RBA
RBA
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并联热阻.
LED-1 LED-2 LED-N
TJunction
TJunction
RJA,Total
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RJB,Total TAmbient
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RJS RSB
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TJunction Tsolder point TBoard TAmbient
G N
1 R Total =
并联热阻通式:
∑
i =1
N
1 Ri
例如对于多个LED贴装的结构:
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部分LED封装结构.
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属丝(线)
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LED芯片
金线 芯片 电极引脚
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灌封胶+荧光粉
成型塑胶
引线框(电极引脚)
PCB
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LED热系统结构及热阻网络.
金线 芯片贴装层 电极引脚 焊盘(覆铜层) 绝缘层 导热 界面 材料 芯片 焊料
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热系统结构
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成型塑胶 焊料 PCB 散热片
G N
TJ T A Q
RBA =
TJ TA Q
RJB
设计/选择散热器
根据估算的RBA为初始目标进行散 热器的设计或从散热设备制造商 提供的规格数据选择合适的散热 器
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影响散热器性能的主要因素: 1,散热器的材料.
导热系数--决定材料的热扩散速率.导热系数越高,热扩散速率就越大,传热性能越好. 比热,密度--决定材料的热容大小.热容越大,储热能力就越大,抗热冲击性能越好. 热膨胀系数--基于热结构的稳定性考虑,一般要求热膨胀系数小且相互联结的关键部件的 热膨胀系数越接近越好. 目前加工散热片所采用的基本为金属材料,这主要出于三方面的考虑: 导热性能好——相对其他固体材料,金属具有更好的热传导能力; 于加工——延展性好,高温相对稳定,可采用各种加工工艺; 获取——虽然金属也属不可再生资源,但供货量大,不需特殊工序,价格也相对低廉; 下表为部分固体材料的热物性参数.