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关于大功率LED散热技术分析

时间:2024-09-03

广州市机电高级技工学校 刘小凤

LED是发光二极管简称的缩写,是一种以半导体管芯为基础的发光材料,随着半导体材料研究的技术不断的成熟,大规模的发光二极管得到了广泛的应用。LED发光二级管的能耗低、照明强度高,寿命长,能够根据具体的需要设计不同的尺寸大小,已经广泛的应用室内装修、汽车、道路、城市照明等。在实际工作中,LED的功率是无法达到100%的,将近有80%的输入功率要转换为热损耗,随着大规模、矩阵型的LED灯的使用,能耗也会变得越来越大,如果不能及时的处理散热问题,将会导致热量集中在二极管的PN结,就会降低LED灯的使用寿命,严重时甚至会烧毁LED。

一、大功率LED的工作原理分析

1、LED结构

PN结是发光二极管(LED)的核心,主要是半导体材料构成的,主要是GaAs(砷化稼)、GaP(磷化稼)、GaAsP(磷砷化稼)等半导体作为PN结的主要材料,在一般情况下,LED的主要PN结是一个以5mm常规半径构成,在PN结的边缘利用0.23mm的正方形管芯将PN结粘接或者烧结在带引线的二极管支架上,将引线作为二极管的阴极,球形触点的金丝键作为二极管的内引线,然后在它们连接到另一支架上,将多个二极管连接在一起就形成了大规模的LED矩阵。LED发光二极管的工作原理是将电能转化光能力的过程,当在二级管的PN结两端加上正向偏压时,二极管的PN电势发生变化,这时P区的正离子电荷开始向N结流动,而N结的负离子电荷也向P结流动,在P结与N结之间开始形成电势差。在一个电光转换过程,当在PN结两端加载一个正向偏压时,就会在P结与N结之间的区域形成非电荷平衡,这样在P结与N结形成的系统中,形成的载流子是不稳定的,在PN结中的非平衡空穴要与导带的电子复合,形成电流,而产生的多余载流子的能力会以光的形式辐射出来。

2、大功率LED阵列的热效应及影响

目前,由于大规模LED矩阵产生的热量如果得不到及时的散热,就会影响LED的正常使用,在一般的情况,LED的发光效率使用的能量只能占20%左右,80%的能量作为热量散发出去,如果LED的光通能量达到标准普通照明时,光通量要达到1000流明以上,而我们一般使用的LED照明光源LED(1mmX1mm)的功率一般是1瓦左右,而产生的热流密度就会达到106W/m z以上,这时就需能够及时的将产生的热流传导出去,否则就会积累在LED芯片的内部,从而会导致芯片的结温升高,最终就烧毁芯片。这是LED芯片设置必须要解决的问题,当多个芯片封装在一起时,在增加光通量的同时,也产生的更多的热量散热问题。电流持续通过PN结,在LED光通量增加的同时,还会导致PN结的温度升高,进而就会影响LED的PN结内部的电子浓度,同时也会影响PN结的空穴浓度,禁带宽度等参数,如果长时间的不能散热,就需导致PN结的正向偏压、发光效率、主波长等受到影响,这样就会影响LED的使用寿命,也会影响LED的正常工作。当LED结温的升高时,就会改变PN结之间的载流子的流动,这样会严重破坏PN结的正向偏压,导致LED不能够正常工作。如果PN结温度持续升高,它的工作环境就会发生变化,这时,PN结两边的热平衡电子浓度就会发生变化,导致大量的少子产生,从而就会很快的激发PN结载流子的浓度比杂质比就和增加,这时就会导致PN结的欧姆接触电阻的电阻率下降,就会将杂质半导体变成了本征半导体,造成PN结的功能消失,进而会影响PN结的正常工作。

二、大功率LED散热技术处理

大功率LED阵列技术的芯片密度比较大,而LED的光电转化效率只有20%,而其他的转化为热能,特别是在LED芯片的密度不断增加时,就会增加LED的操作温度,这样就会减少LED等的使用寿命,当LED的操作温度由63℃上升到74℃时,如下图1所示。LED的平均使用寿命就会降低四分之三,如果要提高LED的发光效率,就需要对LED的散热进行处理,降低LED的PN结的结温。

图1 LED温度与寿命的关系

1、风冷散热技术

空冷散热一般主要采用的是空气对流散热的技术,它主要分为自然对流散热和强迫对流散热技术两种方式,空冷散热技术主要利用空气流动来散热,将空气作为冷却剂,加大LED器件周围的空气流动,进而能够对功率型LED的器件进行散热处理,风冷散热技术的结构简单,而且LED器件结构也比较简单,易于封装处理,结构简单,设备的成本比较低,它的运行十分可靠,而且风冷散热技术比较成熟,但是它的散热效率比较低,一般情况下只能用于小功率的LED散热系统中。在自然对流散热技术的运用中,采用散热器可以增加LED器件的散热面积,改善LED器件的散热性能,也能够降低LED基板器件的相关系数,而影响LED散热性能的因素有多种情况,例如散热器基板的导热系数、器件的对流换热系数等。散热器的散热面积直接影响着LED的散热情况,而散热器的形状对LED的散热效率影响十分巨大。随着LED芯片功率的不断增大,芯片的散热也就越来越多,采用自然对流的方式是不能满足散热要求,这就需要运用小风扇来增加LED器件散热面积的空气对流速率,进而增加散热器的散热系数,在具体的设计中,为了抑制风扇产生的噪音,需要将风扇设计的比较微小,甚至将其集成在LED系统中,使之技能达到散热的效果,也能够减少风扇的噪音。

2、水冷散热技术

LED水冷散热系统是大功率LED设备中常用的散热技术之一,它的散热介质主要是以去离子水为主,充分利用水的循环流动进行散热。水冷散热技术系统主要由水泵、基板、导水管等部件构成,它采用水在导水管中的流动,达到对LED器件进行散热的目的。利用散热管还可以增加LED的散热面积,在工作时将LED芯片产生的热量传递给基板,泵主要功能是为散热器提供水循环动力,保证离子水能够循环流动,LED芯片将产生的热量传递给LED基板器件,基板再将热点传递给水,然后导水管通过水的流动带走热量,达到具体的散热效果。采用水冷散热系统可以快速的降低LED芯片带来的热量,与风冷散热相比,虽然水泵在运行的过程中还会产生一定的噪声,但水冷散热能够快速的散热,具有安静、对环境依赖比较小等优点,在一些中小型的LED设备中得到了广泛的应用。

3、热管散热技术

热管散热技术在LED器件散热中也比较常见,它主要是利用热相变来强化导热器件进行换热的传统散热技术,一般的热管散热技术主要由管壳、吸液芯和端盖等几部分构成。在LED的热管设计上,将热管的一端设计为蒸发段(加热段),便于吸收LED器件散发的热量,将另一端设计为冷凝段(冷却段),功能是对传导过来的热量进行冷却,大功率的LED阵列一般主要采用导热胶粘结在蒸发段管壁上,以保证能够有效的对LED进行散热,在热管运行时,管内的冷却液在蒸发段内吸收热量而蒸发,进而能够带走LED器件散发出的热量,当蒸汽从蒸汽腔流入冷凝段,在放出热量同时,也受到冷却段的冷凝,然后被冷却液体,达到对LED降温的目的,经过冷却的液体在LED器件的毛细结构丝网产生的毛细力作用下,然后再回流到蒸发段,这样通过热管冷之间的液体、气体之间的循环,达到对LED器件进行降温的目的,采用热管冷却技术的缺点是设备的制作工艺复杂比较复杂,体积极大,而且设备的成本比较高,系统整体稳定性不高。

4、热电散热技术

热电散热技术是通过将LED阵列在通电发光产生的热能通过导热材料将其传递出来,经过冷凝设备吸收热量,主要采用热电之间的控制达到散热的目的,它的工作原理是以热电效应为基础。在无外磁场存在时,热电散热技术主要包括导热设备、焦耳热损失等效应的原理,采用热电散热的主要优点是它的散热密度比较大,散热的结果比较紧凑,并能够与IC工艺紧密的结合在一起,系统结构的集成效果较好。与其他传统散热方式相比,采用热电散热器能够快速的降低LED器件温度,能够快速的使得LED系统的温度降低到36%以上,而且这种技术还可以进行突破,通过选择冷效率高的热导材料,并通过优化热电传导设备结构进行散热,典型的热电散热技术结构如图2所示。

图2 热电散热技术结构

5、热声散热技术

热声制冷技术主要采用热声效应来实现LED器件散热的目的,热声效应的工作原理是将LED工作时产生的热量加入到声波密集区域,在设备的声波稀疏时将LED系统产生的热量排出,然后声波的能量就会加强。由于声波在空气中进行传播时,就会产生压力波动或者位移的波动,通过声波产生的压力波动达到散热的目的。声波的传播还会受到散热器的温度变化波动。如果在气体的压力、位移以及温度发生变化是,就会与散热器的边界发生接触,这样就可以快速的将热能传递出,实现声波与热能的转换,进而达到散热的目的,采用声波散热技术的优点是制冷的部件较少,而且使用的成本也比较低,散热结构比较简单等。

三、LED散热技术指标分析

1、PN结结温

PN结的结温主要由于PN在通电的过程中产生的问题,一般情况下是指LED芯片的温度也是指大功率LED芯片有源区的温度。当PN结在工作时,由于电极之间存在电压,就会导致P接与N结之间产生温差,影响PN结结温的因素主要有:

(1)LED元器件不良的电极结构。LED的PN结合材料直接影响着LED的导电情况与PN结的结温,主要包括PN结的区域材料、导电银胶以及视窗层衬底等部分都具有一定的电阻值,如果将这些电阻串联在一起,在电流经过时,就会在PN通电时产生大量的热能,如果不能及时将这些热能排出,进而能够导致PN结或者芯片的温度提升。

(2)LED元器件工作时的光电效应。当PN结开始工作时,P区流向N区得电荷只有20%的转换成光能,剩余的转换为热能,才能热能就是十分巨大的,而且N区域向P区产生电荷移动时的能量全部转变成热能,这也会影响PN结的结温,如果PN结的光电效能较差的话,就会导致PN结的结温增加。

(3)LED内部器件的热散失能力对PN结结温产生影响。由于大部分LED器件的内部一般采用透明的环氧树脂材料,它们的导热率很低,PN结区域产生的热能只有一小部分通过内部器件散发出去,而大部分的热量散发到这种的透明的环氧树脂材料材料中,向LED的PCB基板与热沉等散热器方向进行散热,这样就会导致了LED的散热效率,也会导致PN结的结温升高。

(4)PN结的制作工艺。目前,在LED的制作工艺都采用了先进的技术水平,几乎能够将全面的电能转化为热能,但是如果LED的PN周围的介质对光的折射系数过大,就会将反射回芯片内,从而也会导致PN结的结温过高。

2、LED热阻对散热指标的影响

LED的热阻也是表征LED热性能的一个重要参数,如果LED设备的热阻越小,说明系统的散热性能较好,也表明LED的散热通道越流畅,内部的散热设计效果越好,这样LED产生的热量更容易散失出去,系统的散热性能越好,当系统散热效果好时,LED芯片结温更容易变低,就能够提升LED的寿命。一般地,LED的发热中心主要是芯片的有源区,在设计的时候,如果将LED的芯片尺寸设计的相对面积比较大,而且还比较薄,这时,可以假定LED散热是沿着芯片的截面方向垂直传递,对LED的热阻进行分析,从PN结向外部热沉,这样LED的热扩散方式就是向外进行扩散。在对LED的热阻进行分析时,可以将热阻分为内热阻和外热阻两种形式,内热阻是LED芯片固有的热阻,属于LED芯片的内在性质,它与制作LED芯片的材料,形状及生产工艺等有关,它对LED芯片的散热性能起着决定性的作用。外热阻是LED芯片的外部壳体、外部热沉的热阻,是与LED外部材料直接相关的,外部热阻的大小与外部壳体的封装材料、形式及外部热沉的导热率具有直接的联系,外部热阻大,导致LED芯片的总体散热率下降。

四、结束语

LED在现实生活中应用十分广泛,为了提高LED的使用效率,需要对LED的散热效果进行有效的设计,大功率LED阵列的工作寿命与LED的散热性能有着直接的关系,一般情况下,LED在工作过程中,只有20%的电能转换为光能,而其他只是转化为热能,可见LED在具体的工作过程中,会产生大量的热能,这就需要在LED系统设计中,加强对LED的散热性能进行设计,有效的控制LED的散热方式,通过采用各种散热技术方法来提升LED的散热效果。在具体的设计中,需要根据LED的使用方法以及LED阵列功率的大小,采用不同的散热技术与散热效果较好的材料,在对PN结的结温进行控制的同时,还要能够有效的降低散热器的热阻,提高散热器的散热效果。

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