大功率LED散热方案.doc

LED 散热设计方案题目: 大功率 LED 散热方案学院: 电气信息学院学生姓名: 李宇专业: 测控技术与仪器学号: 3120********** 指导教师: 靳斌日期: 2013 年5月1日大功率 LED 散热方案摘要: 目前, 随着 LED 向着大功率方向发展, 很多功率型 LED 的驱动电流达到 70 mA、 100 mA 甚至 1A ,电流增大虽然能够提高 LED 的亮度、功率,但是这将会引起芯片内部热量聚集,导致发光波长漂移、出光效率下降、荧光粉加速老化以及使用寿命缩短等一系列问题。业内已经对大功率 LED 的散热问题作出了很多的努力:通过对芯片外延结构优化设计,使用表面粗化技术等提高芯片内外量子效率,减少无辐射复合产生的晶格振荡,从根本上减少散热组件负荷;通过优化封装结构、材料,选择以铝基为主的金属芯印刷电路板(MCPCB) , 使用陶瓷、复合金属基板等方法, 加快热量从外延层向散热基板散发。多数厂家还建议在高性能要求场合中使用散热片,依靠强对流散热等方法促进大功率 LED 散热。尽管如此,单个 LED 产品目前也仅处于 1~ 10W 级的水平,散热能力仍亟待提高。相当多的研究将精力集中于寻找高热导率热沉与封装材料,然而当 LED 功率达到 10W 以上时, 这种关注遇到了相当大的阻力。即使施加了风冷强对流方式,牺牲了成本优势,也未能获得令人满意的变化。讨论在现有结构、 LED 封装及热沉材料热导率等因素变化对于其最大功率的影响,寻找影响 LED 散热的关键因素。研究方法为有限元热分析法. 该方法已有实验验证了 LED 有限元模型与其真实器件之间的差别, 证明其在误差许可范围内是准确可行的。关键词: 散热, LED ,结构创建节约型社会已经成为共识,建筑中采用节能型照明系统也已成为一种趋势。目前, 大功率 LED 在发光效率、使用寿命、光输出特性、显色性能以及绿色无污染等方面具有独特的优势, 成为具有极强竞争力的新型优质光源, 然而在决定大功率 LED 能否广泛应用的几个关键技术中, 散热设计是非常重要的一环。也就是说,散热设计的好坏将直接决定大功率LED 的性能指标优以及实际的推广应用能否获得成功。考虑热导率与散热方式的影响, 使用大型有限元软件 模拟并分析了大功率 LED 热分布。通过分析不同封装、热沉材料及散热方式对 LED 热分布与最大散热能力的影响, 指出解决 LED 散热问题的关键不是寻找高热导率的材料,而是改变 LED 的散热结构或者散热方式。 1 建立模型 几何模型的建立 有限元模型的建立 1 LED 模型中各材料的参数值 3 分析各种因素对于散热能力的影响 热辐射系数对 LED 散热的影响图2 为表面黑度为 时的温度云图。根据斯蒂芬- 玻耳兹曼定律,辐照度 j* 与温度 T 之间的关系: j*= εσ T4 。其中ε为黑体的辐射系数;σ= × 10-8w / (m2& mid dot;k4) ,称为斯蒂芬- 玻耳兹曼常数。因此可知,温度越高,辐照度越大。当输入功率为 1W 时,经由表面辐射散出的热能为 × 10 - 4W , 仅占总热功率的 ‰; 功率达到 2W时, 经辐射散出的热能也仅占 ‰。因此改变热辐射系数对于提高散热能力改善成效不大, 散热的关键在于提高另外两种散热方式: 热传递和热对流。尽管如此, 仍有一些厂家将 LED 器件的外表面涂成黑色,以期最大限度地利用辐射散热。 热导率对 LED 的散热的影响只考虑热传导与对流,, 如图 3 所示。即使找到一种热导率高达 7 Wm-1K-1 的环氧树脂成分封装材料时, 相比使用热导率为 Wm-1K-1 的环氧树脂成分封装材料时, 芯片温度下降不多, 铝基板温度只下降了 ℃, 最大功率仅提高了 W。实际上,热导率值超过 7Wm-1K-1 以上、可商业化的透明硅树脂封装材料目前尚无文献报导。分布云图如图 4 所示。?表2 给出透镜热导率为 Wm-1K-1 时, 不同热沉材料的导热系数对于 LED 最大功率影响。由表 2 看出,热沉材料对于 LED 的最大散热能力的影响很小。? 增加散热面积对 LED 散热的影响表3为3 种不同散热方式对 LED 的温度分布、最大功率的影响。可以看出, 增加散热面积是很好的散热方式, 可以轻易地提高 LED 器件散热能力, 这是目前 LED 产品所普遍使用的散热方式之一。然而缺点也很明显: 影响成本、增加产品重量、影响封装密度。无限度地提高 LED 散热片面积显然不现实,因此一般使用 散热片提升 LED 产品最大功率至