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0431-81702023
光学工程
LED照明灯具散热方式及材料的选择

LED照明散热问题一直是行业内最难攻克的城堡,解决散热不仅在照明行业,在整个电子行业都是重点。LED的散热问题将是限制LED照明未来能否在市场上取得更大成功的主要因素。因此做好一款灯具,如何选择LED灯具散热方式及散热材料是关键。

众所周知,LED的发光效率很高,而且还因为体积很小而深受设计师偏爱。但只有当不考虑散热管理时,它们才真的“很小”。虽然与白炽灯光源高达2500℃的工作温度相比,LED光源温度要低得多。因此,很多设计师最终认识到,散热是一个大问题。尽管LED也产生热量,但它相对来说不是很高,因此散热对LED本身来说还不是一个问题。不过,驱动LED工作的半导体器件允许的工作温度低于100℃。

散热问题是LED照明主要障碍

随着LED材料及封装技术的不断演进,促使LED产品亮度不断提高,LED的应用越来越广,以LED作为显示器的背光源,更是近来热门的话题,主要是不同种类的LED背光源技术分别在色彩、亮度、寿命、耗电度及环保诉求等均比传统冷阴极管(CCFL)更具优势,因而吸引业者积极投入。

最初的单芯片LED的功率不高,发热量有限,热的问题不大,因此其封装方式相对简单。但近年随着LED材料技术的不断突破,LED的封装技术也随之改变,从早期单芯片的炮弹型封装逐渐发展成扁平化、大面积式的多芯片封装模组;其工作电流由早期20mA左右的低功率LED,进展到目前的1/3至1A左右的高功率LED,单颗LED的输入功率高达1W以上,甚至到3W、5W封装方式更进化。

由于高亮度高功率LED系统所衍生的热问题将是影响产品功能优劣关键,要将LED组件的发热量迅速排出至周遭环境,首先必须从封装层级(L1&L2)的热管理着手。目前业界的作法是将LED芯片以焊料或导热膏接在一均热片上,经由均热片降低封装模组的热阻抗,这也是目前市面上最常见的LED封装模组,主要来源有Lumileds、OSRAM、Cree和Nicha等LED国际知名厂商。

许多终端的应用产品,如迷你型投影机、车用及照明用灯源,在特定面积下所需的流明量需超过上千流明或上万流明,单靠单芯片封装模组显然不足以应付,走向多芯片LED封装,及芯片直接黏着基板已是未来发展趋势。

散热问题是在LED开发用作照明物体的主要障碍,采用陶瓷或散热管是一个有效防止过热的方法,但散热管理解决方案使材料的成本上升,高功率LED散热管理设计的目的是有效地降低芯片散热到最终产品之间的热阻,Rjunction-to-case是其中一种采用材料的解决方案,提供低热阻但高传导性,通过芯片附着或热金属方法来使热直接从芯片传送到封装外壳的外面。

当然,LED的散热组件与CPU散热相似,都是由散热片、热管、风扇及热界面材料所组成的气冷模组为主,当然水冷也是热对策之一。以当前最热门的大尺寸LEDTV背光模组而言,40英寸及46英寸的LED背光源输入功率分别为470W及550W,以其中的80%转成热来看,所需的散热量约在360W及440W左右。

那么该如何将这些热量带走?目前业界有用水冷方式进行冷却,但有高单价及可靠度等疑虑;也有用热管配合散热片及风扇来进行冷却,比方说日本大厂SONY的46吋LED背光源液晶电视,但风扇耗电及噪音等问题还是存在。因此,如何设计无风扇的散热方式,可能会是决定未来谁能胜出的重要关键。

[最优散热方式

常用的有风冷,热管,水冷等散热方式,散热效果肯定是按水冷,热管,风冷递减,风冷主要是通过风扇,散热片等将热量传至周围环境(最终还是通过空气散热的),达到散热的目的。

优点:结构简单,价格低廉(比较其它散热方法),安全可靠、技术成熟。缺点:不能将温度降至室温以下,由于存在风扇的转动,所以有噪音,风扇寿命有时间限制。

水冷原理和风冷很相似,只是利用水来导热,简单说就像化学实验里的冷凝管(液氮的其实也是,只是把导热物质换成温度更低的液氮),有进水口和出水口,不断的导出热水注入冷水从而导走热量。

热管里面填充了特制的液态导热介质,具体的工作原理是这样的:热管两端产生温差的时候,蒸发端的液体就会迅速气化,将热量带向冷凝端,速度非常快。两端温差越大,蒸发速度越大。在极端的情况下,蒸发速度可能可以接近音速。液体在冷凝端凝结液化以后,通过毛细作用,流回蒸发端。如此循环往复,其实就是利用导热介质气化吸热液化放热实现散热。

至于半导体和液氮致冷(风冷水冷无法将温度降至室温以下,半导体可以将稳定降到0度以下,而液氮更是可以达到-170度以下),其设备要求苛刻,成本高多用于工业生产,如果你想DIY还是不要选它们了。

水冷与风冷方式散热技术对比

在影响电力电子装置可靠性的多种因素中,散热是至关重要的,大功率半导体器件工作时所产生的热量,将导致芯片温度的升高,如果没有适当的散热措施,就可能使芯片温度超过所允许的最高结温,从而导致器件性能的恶化以致损坏。所以在电路设计中,选择适当的散热方式,并进行合理的设计,是使器件的潜力得到充分发挥,提高电路可靠性不可缺少的重要环节之一。

散热材质的选择

一般说来,普通风冷散热器自然要选择金属作为散热器的材料。对所选用的材料,希望其同时具有高比热和高热传导系数,从上可以看出,银和铜是最好的导热材料,其次是金和铝。但是金、银太过昂贵,所以,目前散热片主要由铝和铜制成。相比较而言,铜和铝合金二者同时各有其优缺点:铜的导热性好,但价格较贵,加工难度较高,重量过大,且铜制散热器热容量较小,而且容易氧化。另一方面纯铝太软,不能直接使用,都是使用的铝合金才能提供足够的硬度,铝合金的优点是价格低廉,重量轻,但导热性比铜就要差很多。所以在散热器的发展史上也出现了以下几种材质的产品:

纯铝散热器

纯铝散热器是早期最为常见的散热器,其制造工艺简单,成本低,到目前为止,纯铝散热器仍然占据着相当一部分市场。为增加其鳍片的散热面积,纯铝散热器最常用的加工手段是铝挤压技术,而评价一款纯铝散热器的主要指标是散热器底座的厚度和Pin-Fin比。Pin是指散热片的鳍片的高度,Fin是指相邻的两枚鳍片之间的距离。Pin-Fin比是用Pin的高度(不含底座厚度)除以Fin,Pin-Fin比越大意味着散热器的有效散热面积越大,代表铝挤压技术越先进。

纯铜散热器

铜的热传导系数是铝的1.69倍,所以在其他条件相同的前提下,纯铜散热器能够更快地将热量从热源中带走。不过铜的质地是个问题,很多标榜“纯铜散热器”其实并非是真正的100%的铜。在铜的列表中,含铜量超过99%的被称为无酸素铜,下一个档次的铜为含铜量为85%以下的丹铜。目前市场上大多数的纯铜散热器的含铜量都在介于两者之间。而一些劣质纯铜散热器的含铜量甚至连85%都不到,虽然成本很低,但其热传导能力大大降低,影响了散热性。此外,铜也有明显的缺点,成本高,加工难,散热器质量太大都阻碍了全铜散热片的应用。红铜的硬度不如铝合金AL6063,某些机械加工(如剖沟等)性能不如铝;铜的熔点比铝高很多,不利于挤压成形(Extrusion)等等问题。

铜铝结合技术

在考虑了铜和铝这两种材质各自的缺点后,目前市场部分高端散热器往往采用铜铝结合制造工艺,这些散热片通常都采用铜金属底座,而散热鳍片则采用铝合金,当然,除了铜底,也有散热片使用铜柱等方法,也是相同的原理。凭借较高的导热系数,铜制底面可以快速吸收CPU释放的热量;铝制鳍片可以借助复杂的工艺手段制成最有利于散热的形状,并提供较大的储热空间并快速释放,这在各方面找到了的一个均衡点。

 


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