半导体照明ppt课件-18-LED散热技术

LED 散热散热设计设计 对于一般照明使用，将需要大量的对于一般照明使用，将需要大量的LEDLED元件集成在一块元件集成在一块模组中以达到所需之照度。但模组中以达到所需之照度。但LEDLED的光电转换效率不高，大的光电转换效率不高，大约只有约只有15%15%至至20%20%左右电能转为光输出，其余均转换成为热左右电能转为光输出，其余均转换成为热能。能。热量是热量是LEDLED的最大威胁之一，不仅影响的最大威胁之一，不仅影响LEDLED的电气性能，的电气性能，最终导致最终导致LEDLED失效。如何让失效。如何让LEDLED保持长时间的持续可靠工作保持长时间的持续可靠工作是目前大功率是目前大功率LEDLED器件封装和系统封装的关键技术。器件封装和系统封装的关键技术。LED 散热设计 对于一般照明使用，将一、热量来源一、热量来源 对对于由于由PNPN结组成的发光二极管，当正向电流从结组成的发光二极管，当正向电流从PNPN结流结流过时，过时，PNPN结有发热损耗，这些热量经由粘结胶、灌封材料、结有发热损耗，这些热量经由粘结胶、灌封材料、热沉等，辐射到空气中热沉等，辐射到空气中。在这个过程中每一部分材料都有阻止热流的热阻抗，在这个过程中每一部分材料都有阻止热流的热阻抗，也就是热阻，热阻是由器件的尺寸、结构及材料所决定的也就是热阻，热阻是由器件的尺寸、结构及材料所决定的固定值。固定值。一、热量来源热阻热阻(thermal resistance)结构对热功率传输所产生的阻力称为热阻。结构对热功率传输所产生的阻力称为热阻。式中式中RT为两点两点间的的热阻，阻，为两点两点间的温度的温度差，差，PD为两点两点间的的热功率流。功率流。表示表示单位耗散功率所引起的位耗散功率所引起的结温升高温升高(CW，或，或K/W。)热阻(thermal resistance)式中RT为两总热阻为各层热阻之和 热阻反映阻止热量传递能力的综合参量。单位：热阻反映阻止热量传递能力的综合参量。单位：/W总热阻为各层热阻之和 热阻反映阻止热量传递能力的综合参量。单一、热量来源一、热量来源 设发光二极管的热阻为设发光二极管的热阻为R Rthth(0 0C/W)C/W)，热耗散功率为，热耗散功率为P PD D (W)(W)，此时由，此时由于电流的热损耗而引起的于电流的热损耗而引起的PNPN结温度上升为结温度上升为:PNPN结结温为结结温为:其中其中T TA A为环境温度。为环境温度。一、热量来源二、热量对二、热量对LEDLED的影响的影响 LEDLED发光过程中产生的热量将会造成发光过程中产生的热量将会造成LEDLED模组的温度模组的温度上升，当温度升高上升，当温度升高:1.1.发光强度降低：发光强度降低：随着芯片结温的增加，芯片的发光效率也会随之减少，随着芯片结温的增加，芯片的发光效率也会随之减少，LEDLED亮度下降。同时，由于热损耗引起的温升增高，发光亮度下降。同时，由于热损耗引起的温升增高，发光二极管亮度将不再继续随着电流成比例提高，即显示出热二极管亮度将不再继续随着电流成比例提高，即显示出热饱和现象。饱和现象。二、热量对LED的影响二、热量对二、热量对LEDLED的影响的影响2.2.发光主波长偏移发光主波长偏移 随着结温的上升，发光的峰值波长也将向长波方向漂随着结温的上升，发光的峰值波长也将向长波方向漂移，约移，约0.2-0.3nm/0.2-0.3nm/0 0C C，这对于通过由蓝光芯片涂覆，这对于通过由蓝光芯片涂覆YAGYAG荧荧光粉混合得到的白光光粉混合得到的白光LEDLED来说，蓝光波长的漂移，会引起来说，蓝光波长的漂移，会引起与荧光粉激发波长的失配，从而降低白光与荧光粉激发波长的失配，从而降低白光LEDLED的整体发光的整体发光效率，并导致白光色温的改变。效率，并导致白光色温的改变。二、热量对LED的影响二、热量对二、热量对LEDLED的影响的影响2.2.发光主波长偏移发光主波长偏移3.3.严重降低严重降低LEDLED的寿命，加速的寿命，加速LEDLED的光衰。的光衰。二、热量对LED的影响三、三、LEDLED的散热考虑的散热考虑 对于功率对于功率LEDLED来说，驱动电流一般都为来说，驱动电流一般都为几百毫安几百毫安以上，以上，PNPN结的电流密度非常大，所以结的电流密度非常大，所以PNPN结的温升非常明显。结的温升非常明显。对于封装和应用来说，如何降低产品的热阻，使对于封装和应用来说，如何降低产品的热阻，使PNPN结结产生的热量能尽快的散发出去，不仅可提高产品的饱和电产生的热量能尽快的散发出去，不仅可提高产品的饱和电流，提高产品的发光效率，同时也提高了产品的可靠性和流，提高产品的发光效率，同时也提高了产品的可靠性和寿命。寿命。三、LED的散热考虑三、三、LEDLED的散热考虑的散热考虑 为了降低产品的热阻：为了降低产品的热阻：首先首先,封装材料的选择显得尤为重要，包括支架、基板和填封装材料的选择显得尤为重要，包括支架、基板和填充材料等，各材料的热阻要低，即要求导热性能良好。充材料等，各材料的热阻要低，即要求导热性能良好。其次其次,结构设计要合理，各材料间的导热性能连续匹配，材结构设计要合理，各材料间的导热性能连续匹配，材料之间的导热连接良好，避免在导热通道中产生散热瓶颈，料之间的导热连接良好，避免在导热通道中产生散热瓶颈，确保热量从内到外层层散发。确保热量从内到外层层散发。三、LED的散热考虑三、三、LEDLED的散热考虑的散热考虑 LED LED散热主要从散热主要从3 3个方面着手：个方面着手：第一，从芯片到基板的连接材料的选取；第一，从芯片到基板的连接材料的选取；第二，基板材料的选取；第二，基板材料的选取；第三，基板外部冷却装置的选取和基板与外部冷却设备连第三，基板外部冷却装置的选取和基板与外部冷却设备连接材料的选取。接材料的选取。三、LED的散热考虑三、三、LEDLED的散热考虑的散热考虑1.1.芯片到基板的连接材料的选取芯片到基板的连接材料的选取 普通用来连接芯片和基板采用的是银胶。但是银胶的普通用来连接芯片和基板采用的是银胶。但是银胶的热阻很高，热阻很高，而且银胶固化后的内部结构是：环氧树脂骨架而且银胶固化后的内部结构是：环氧树脂骨架和银粉填充式导热导电结构，这样的结构热阻极高，对器和银粉填充式导热导电结构，这样的结构热阻极高，对器件的散热与物理特性稳定极为不利，因此件的散热与物理特性稳定极为不利，因此,选择的粘接物选择的粘接物质是质是锡膏锡膏。三、LED的散热考虑三、三、LEDLED的散热考虑的散热考虑2.接着就是基板的选择接着就是基板的选择 上表是常见的基板和支架的材料导热系数，由表知，上表是常见的基板和支架的材料导热系数，由表知，银、纯铜、黄金的导热系数相对其他较高银、纯铜、黄金的导热系数相对其他较高 但银、纯铜、黄金价格高，为了取得很好的性价比但银、纯铜、黄金价格高，为了取得很好的性价比纯铝的导热系数，因此基板采用的是铜或铝质地。纯铝的导热系数，因此基板采用的是铜或铝质地。三、LED的散热考虑三、三、LEDLED的散热考虑的散热考虑3.3.基板外部冷却装置的选取基板外部冷却装置的选取 大功率大功率LEDLED器件在工作时大部分的损耗变成热量，若器件在工作时大部分的损耗变成热量，若不采取散热措施，则芯片的温度可达到或超过允许的节温，不采取散热措施，则芯片的温度可达到或超过允许的节温，器件将受到损坏，因此必须器件将受到损坏，因此必须加散热装置加散热装置。最常用的是将功率器件安装在散热器上，利用散热器最常用的是将功率器件安装在散热器上，利用散热器将热量散到周围空间，它的主要热流方向是由芯片传到器将热量散到周围空间，它的主要热流方向是由芯片传到器件的底下，经散热器将热量散到周围空间。件的底下，经散热器将热量散到周围空间。三、LED的散热考虑三、三、LEDLED的散热考虑的散热考虑3.3.基板外部冷却装置的选取基板外部冷却装置的选取 散热器由铝合金板料经冲压工艺和表面处理制成，表散热器由铝合金板料经冲压工艺和表面处理制成，表面处理有电泳涂漆或黑色氧化处理，目的是提高散热效率面处理有电泳涂漆或黑色氧化处理，目的是提高散热效率和绝缘性能。和绝缘性能。散热器散发的热能与环境温度的温差大致成正比，对散热器散发的热能与环境温度的温差大致成正比，对流的速度越快，则散热器本身的热阻也就越小。流的速度越快，则散热器本身的热阻也就越小。三、LED的散热考虑三、三、LEDLED的散热考虑的散热考虑4.4.基板与外部冷却设备连接材料的选取基板与外部冷却设备连接材料的选取 就界面热阻而言，空气间隙是最大的敌人。就界面热阻而言，空气间隙是最大的敌人。尽管基板与散热器之间肉眼能观察到的间隙很小，但尽管基板与散热器之间肉眼能观察到的间隙很小，但是由于材料表面的不平整，实际还是存在着细微的空隙。是由于材料表面的不平整，实际还是存在着细微的空隙。由于空气的界面热阻很大，不利于扩散，故大大增加由于空气的界面热阻很大，不利于扩散，故大大增加了整体界面的热阻。了整体界面的热阻。三、LED的散热考虑三、三、LEDLED的散热考虑的散热考虑4.4.基板与外部冷却设备连接材料的选取基板与外部冷却设备连接材料的选取 根据分析，减低界面热阻的方法为根据分析，减低界面热阻的方法为:增加材料表面的平整度，增加材料表面的平整度，减小空气的容量；减小空气的容量；施加接触压力。施加接触压力。因此在基板和外散热器的填充物质上，选择导热的因此在基板和外散热器的填充物质上，选择导热的硅树脂硅树脂。三、LED的散热考虑四、散热机制四、散热机制 散热的基本途径主要有以下三种：热传导、对流、辐散热的基本途径主要有以下三种：热传导、对流、辐射。射。与其他固体半导体器件相比，与其他固体半导体器件相比，LEDLED器件对温度的敏感器件对温度的敏感性更强。由于受到芯片工作温度的限制，芯片只能在性更强。由于受到芯片工作温度的限制，芯片只能在120120度以下工作，因此器件的热辐射效应基本可以忽略不计。度以下工作，因此器件的热辐射效应基本可以忽略不计。传导和对流对传导和对流对LEDLED散热比较重要。散热比较重要。四、散热机制四、散热机制四、散热机制 从热能分析，假设从热能分析，假设Q=Q=发散功率发散功率(P(Pd d)=Vf X If)=Vf X If，而且而且VfVf和和If If相对变化比较小。相对变化比较小。所以我们在做散热设计时主要先从热传导方面考虑，所以我们在做散热设计时主要先从热传导方面考虑，热量预先从热量预先从LEDLED模块中传导到散热器。模块中传导到散热器。四、散热机制四、散热机制四、散热机制1.1.热传导热传导 首先考虑热源是均匀地加载在导热材料的整个表面的首先考虑热源是均匀地加载在导热材料的整个表面的情况，由情况，由FourierFourier导热定律得知，热流密度与温度梯度成正导热定律得知，热流密度与温度梯度成正比比:四、散热机制四、散热机制四、散热机制1.1.热传导热传导 其中其中k k为热导率，为热导率，A A为面积，为面积，x x为导热材料的厚度，为导热材料的厚度，q q为热流密度，表示单位面积的耗散的功率。为热流密度，表示单位面积的耗散的功率。对于多层复合材料，总热阻可以简化为对于多层复合材料，总热阻可以简化为:（1 1）四、散热机制四、散热机制四、散热机制1.1.热传导热传导 以下图两层材料的热传导为例以下图两层材料的热传导为例:四、散热机制四、散热机制四、散热机制1.1.热传导热传导 从式（从式（1 1）和式（）和式（2 2）大致可以得到解决散热的基本方）大致可以得到解决散热的基本方法法:减少材料的厚度并选用高热导率的材料。减少材料的厚度并选用高热导率的材料。但是高热导率材料如铜等材料，同时也会引入比较大但是高热导率材料如铜等材料，同时也会引入比较大的残余应力，并且粘片时，需要比较厚的粘结层。这样势的残余应力，并且粘片时，需要比较厚的粘结层。这样势必会增加多余的接触热阻。必会增加多余的接触热阻。四、散热机制四、散热机制四、散热机制1.1.热传导热传导 封装之热阻公式大多用封装之热阻公式大多用 来描述：来描述：其中其中TjTj为芯片的结区温度，为芯片的结区温度，TaTa为环境温度，为环境温度，Q Q为芯片发为芯片发热功率。热功率。同一加热功率与环境温度下，热阻越大，即代表有更同一加热功率与环境温度下，热阻越大，即代表有更多的热量不能从封装中散出，而积聚在芯片的内部，使芯多的热量不能从封装中散出，而积聚在芯片的内部，使芯片的结区温度片的结区温度T T，升高越快，可靠性也越差。，升高越快，可靠性也越差。四、散热机制四、散热机制四、散热机制2.2.对流情况对流情况 热交换发生在固体和流体之间的界面，由流体的流动热交换发生在固体和流体之间的界面，由流体的流动而带走表面的热量，由而带走表面的热量，由NewtonNewton冷却定律得到对流的热交冷却定律得到对流的热交换公式：换公式：（3 3）A A为材料的横截面积。为材料的横截面积。四、散热机制四、散热机制四、散热机制2.2.对流情况对流情况 由（由（3 3）式得到对流热交换的热阻公式：）式得到对流热交换的热阻公式：（4 4）（4 4）中）中h h为热传导系数，为热传导系数，A*A*为参与热对流热对流面积。为参与热对流热对流面积。由于对流交换的热量跟对流的表面积成正比，因此需由于对流交换的热量跟对流的表面积成正比，因此需要优化微流通道的结构，从而提高散热面积要优化微流通道的结构，从而提高散热面积A*A*；另外一方；另外一方面提高传热系数面提高传热系数h h。四、散热机制四、散热机制四、散热机制2.2.对流情况对流情况 将式（将式（1 1）和式（）和式（4 4）两个式子合并在一起，可以得到）两个式子合并在一起，可以得到热传导和热对流共同起作用的传热机制，总热阻公式：热传导和热对流共同起作用的传热机制，总热阻公式：（5 5）（5 5）中）中f f为为A*/AA*/A，A*A*为参与热对流的面积，为参与热对流的面积，A A为材料的为材料的横截面积，作为表面增强因子，与微流通道的内部结构有横截面积，作为表面增强因子，与微流通道的内部结构有关。关。四、散热机制四、散热机制四、散热机制2.2.对流情况对流情况 通过通过 的计算，我们可以初步估计封装器件最大的温度差别的计算，我们可以初步估计封装器件最大的温度差别 T T，即（，即（T1-T2T1-T2），或者在某种冷却条件下，封装所能容），或者在某种冷却条件下，封装所能容纳的最大热对流密度。纳的最大热对流密度。四、散热机制五、制冷器件五、制冷器件 传统制冷方法有：空气制冷、水冷、热管制冷、帕尔传统制冷方法有：空气制冷、水冷、热管制冷、帕尔贴效应元件制冷贴效应元件制冷(半导体制冷半导体制冷)等。等。现在有些新方法也被陆续提出来，比如超声制冷、现在有些新方法也被陆续提出来，比如超声制冷、超导制冷、以及将多种制冷方法有效集成在一个器件之中。超导制冷、以及将多种制冷方法有效集成在一个器件之中。下面我们简单介绍几种制冷方法。下面我们简单介绍几种制冷方法。五、制冷器件五、制冷器件五、制冷器件1.1.空气制冷空气制冷（1 1）.热沉热沉 热沉的热传导率的系数可以通过几种方法来改变，最热沉的热传导率的系数可以通过几种方法来改变，最流行的方法是加快通过热沉的气流速度。流行的方法是加快通过热沉的气流速度。但将气流速度增加到但将气流速度增加到10m/s10m/s时会引入噪音。时会引入噪音。五、制冷器件五、制冷器件五、制冷器件1.1.空气制冷空气制冷（1 1）.热沉热沉 另一种方法是改变热沉的形状，通过这种方法，来扩另一种方法是改变热沉的形状，通过这种方法，来扩大有效的散热面积。大有效的散热面积。散热器形状可设计成多种阵列形状，如圆柱阵列、条散热器形状可设计成多种阵列形状，如圆柱阵列、条形阵列，或者金字塔的形状等。形阵列，或者金字塔的形状等。五、制冷器件五、制冷器件五、制冷器件1.1.空气制冷空气制冷（1 1）.热沉热沉 五、制冷器件五、制冷器件五、制冷器件1.1.空气制冷空气制冷（2 2）.风扇风扇 通常同时使用散热器和风扇结合的方式，散热器通过通常同时使用散热器和风扇结合的方式，散热器通过和芯片表面的紧密接触使芯片的热量传导到散热器和芯片表面的紧密接触使芯片的热量传导到散热器。散热器通常是一块带有很多叶片的热的良导体，它的散热器通常是一块带有很多叶片的热的良导体，它的充分扩展的表面使热对流大大增加，同时流通的空气也能充分扩展的表面使热对流大大增加，同时流通的空气也能带走更大的热能。带走更大的热能。五、制冷器件五、制冷器件五、制冷器件1.1.空气制冷空气制冷(2).(2).风扇风扇 风扇的设计要达到两个要求：让冷却功能更有效，噪风扇的设计要达到两个要求：让冷却功能更有效，噪音更小。音更小。五、制冷器件五、制冷器件五、制冷器件2.2.水冷水冷 水冷系统由水冷系统由泵、热沉、导水管泵、热沉、导水管等部件组成，泵负责驱等部件组成，泵负责驱动水循环，芯片上的热量传给水，采用液体流动来带走热动水循环，芯片上的热量传给水，采用液体流动来带走热量，导水管把热水传送到热沉。热沉和芯片不在一块，可量，导水管把热水传送到热沉。热沉和芯片不在一块，可以有效提高散热能力，热沉起散热作用。以有效提高散热能力，热沉起散热作用。五、制冷器件五、制冷器件五、制冷器件2.2.水冷水冷 一块中空的金属盘与芯片相接，液体在其内部的凹槽一块中空的金属盘与芯片相接，液体在其内部的凹槽流过，芯片将热量传导到底盘，底盘再将热量传给液体，流过，芯片将热量传导到底盘，底盘再将热量传给液体，然后这些液体流过热沉，在那里它将热量释放到空气中。然后这些液体流过热沉，在那里它将热量释放到空气中。冷却后，这些液体就再次进入那个底盘中。冷却后，这些液体就再次进入那个底盘中。另外采用微流通道的微结构可以增大液体与热沉的接另外采用微流通道的微结构可以增大液体与热沉的接触面积，从而大幅度增加温降，延长器件的使用寿命。触面积，从而大幅度增加温降，延长器件的使用寿命。五、制冷器件五、制冷器件五、制冷器件2.2.水冷水冷 有些冷却装置中使用热管来散热有些冷却装置中使用热管来散热，由热管来带走由热管来带走CPUCPU或电子芯片表面的热量，热管里的冷却剂被加热后变为气或电子芯片表面的热量，热管里的冷却剂被加热后变为气体，在热管中上升，到达上部时，被流动的空气冷却，空体，在热管中上升，到达上部时，被流动的空气冷却，空气带走热量，冷却剂降温又变为液体，往下流动。如此周气带走热量，冷却剂降温又变为液体，往下流动。如此周而复始。而复始。五、制冷器件五、制冷器件五、制冷器件3.3.热电制冷热电制冷 热电制冷又称作温差电制冷，或半导体制冷，它是利热电制冷又称作温差电制冷，或半导体制冷，它是利用热电效应（即用热电效应（即帕尔帖效应帕尔帖效应）的一种制冷方法。）的一种制冷方法。半导体制冷器的优势在于制冷密度大、与半导体制冷器的优势在于制冷密度大、与ICIC工艺兼容、工艺兼容、无运动部件，没有磨损、并且结构紧凑，可以提高集成度。无运动部件，没有磨损、并且结构紧凑，可以提高集成度。五、制冷器件五、制冷器件五、制冷器件3.3.热电制冷热电制冷 把一只把一只p p型半导体元件和一只型半导体元件和一只n n半导体元件连接成热半导体元件连接成热电偶，接上直流电源后，在结合处就会产生温差和热量的电偶，接上直流电源后，在结合处就会产生温差和热量的转移。在上面的一个结合处，电流方向是转移。在上面的一个结合处，电流方向是n-pn-p，温度下降，温度下降并且吸热，这就是冷端。而在下面的一个结合处，电流方并且吸热，这就是冷端。而在下面的一个结合处，电流方向是向是p-n,p-n,温度上升并且放热，因此是热端。温度上升并且放热，因此是热端。五、制冷器件五、制冷器件五、制冷器件3.3.热电制冷热电制冷 金属热电偶的帕尔帖效应，可以用接触电位差现象定金属热电偶的帕尔帖效应，可以用接触电位差现象定性地说明。性地说明。由于接触电位差的存在，使通过结合处的电子经历由于接触电位差的存在，使通过结合处的电子经历电位突变，当接触电位差与外电场同向时，电场力做功使电位突变，当接触电位差与外电场同向时，电场力做功使电子能量增加。同时，电子与晶体点阵碰撞电子能量增加。同时，电子与晶体点阵碰撞将将此能量变为此能量变为晶体内能的增量。晶体内能的增量。五、制冷器件五、制冷器件五、制冷器件3.3.热电制冷热电制冷 结果使结合的位置的温度升高，并释放出热量。结果使结合的位置的温度升高，并释放出热量。当接触电位差与外电场反向时，电子反抗电场力做功当接触电位差与外电场反向时，电子反抗电场力做功，其能量来自结合处的晶体点阵。结果使得结合处的温度下其能量来自结合处的晶体点阵。结果使得结合处的温度下降，并从周围环境吸收热量。降，并从周围环境吸收热量。五、制冷器件五、制冷器件五、制冷器件3.3.热电制冷热电制冷 为了更进一步提高热电制冷效率，提出采用多级热电为了更进一步提高热电制冷效率，提出采用多级热电制冷制冷，并且集成热沉增加与外界环境的热交换并且集成热沉增加与外界环境的热交换。五、制冷器件五、散热结构设计五、散热结构设计五、散热结构设计半导体照明ppt课件-18-LED散热技术半导体照明ppt课件-18-LED散热技术