LED燈具散熱技術(shù)江蘇·無錫方志烈.ppt

LED 燈具散熱技術(shù),方志烈 教授 復(fù)旦大學(xué)測試中心 2011.5-江蘇無錫,一、LED照明燈具的研發(fā)原則 二、LED照明燈具的技術(shù)瓶頸散熱 三、熱能傳遞的三種基本方式 四、散熱的傳統(tǒng)措施 五、熱管技術(shù) 六、LED發(fā)光效率與熱轉(zhuǎn)換分析 七、LED結(jié)溫升高原因及其與性能關(guān)系 八、主動和被動散熱方案 九、LED燈具的熱學(xué)設(shè)計 十、案例 十一、展望,LED燈具散熱設(shè)計,一、LED照明應(yīng)用產(chǎn)品開發(fā)原則,1.從LED的優(yōu)點出發(fā)開發(fā)應(yīng)用產(chǎn)品。 傳統(tǒng)照明光源的優(yōu)點均偏向單一化。 唯LED光源具有十五種以上的獨有光源優(yōu)點 高效節(jié)能、環(huán)保、壽命長、安全、低耗、色光、白光、防震、 防水、微型、高亮度、易調(diào)光、低電壓、光束單方向、光束 集中等15個優(yōu)點。,2.選擇原有光源有明顯缺點的燈具 航標燈、道路交通信號燈、路燈、景觀燈。 3.應(yīng)用產(chǎn)品市場起動的判據(jù)照明成本。 （1）光源的初始成本 （2）光源所消耗能源成本 （3）更換光源勞動成本 （4）光源更換頻率,類似照明成本概念建立的另一個指標為百萬流明小時 式中C 為考慮外電路價格修正的燈的價格，修正佔20%； C1kW.h為每千瓦小時的電價； 為考慮鎮(zhèn)流器損耗后的發(fā)光效率； P和為燈的額定功率和壽命。 這里未考慮維護和處理含汞廢燈的費用。,LED光源能大大降低百萬流明小時值 傳統(tǒng)光源則保持恒定不變。 白熾燈為40元 熒光燈為7.4元 LED 2005年 29.34元 2010年 6.36元 2020年 3.28元,4.半導(dǎo)體照明應(yīng)用產(chǎn)品的技術(shù)關(guān)鍵是散熱 與白熾燈、鹵鎢燈不同的是溫度升高非但不會增加效率，結(jié)溫上升會大幅度下降效率，更高的結(jié)溫更會使器件光輸出明顯隨時間衰減，而使壽命降低。這樣就會喪失LED壽命長、效率高的優(yōu)點。所以應(yīng)該認真對待LED照明燈具的熱學(xué)設(shè)計。 5.造型設(shè)計要創(chuàng)新 LED 光源的小形、薄形為燈光的造型 設(shè)計創(chuàng)新提供了優(yōu)越的條件，可以開發(fā)出不僅是高效節(jié)能的科技產(chǎn)品，而且是美觀大方、賞心悅目的藝術(shù)作品。,6.開發(fā)LED照明應(yīng)用產(chǎn)品的根本動力來自半導(dǎo)體照明光源發(fā)光效率的不斷提高 隨著LED發(fā)光效率的不斷提高，我們可以開發(fā)出一批又一批的半導(dǎo)體照明燈具,二、LED照明應(yīng)用的技術(shù)瓶頸散熱,舉例：1 航標燈 留支架加厚、加寬焊接銅薄等。 2 道路交通信號燈 留部分支架、500個后效率提高121個已解決 3 5LED先制作的路燈 （500個，700個）衰減嚴重，無法解決 4 1WLED制作路燈 正在解決中.,1、LED的效率數(shù)據(jù)是瞬態(tài)測得(不是工作狀態(tài)下的數(shù)據(jù))。 LED工作時光輸出隨結(jié)溫上升而下降 (發(fā)光效率隨結(jié)溫升高而下降是可回復(fù)的，不是衰減，也不是退化。) 2、LED的壽命與LED工作時的結(jié)溫密切相關(guān)，結(jié)溫高壽命短，Lumileds推出新的Power LED可靠性分析方案，建議二個壽命值，一個L70 、一個B50，即光輸出下降到維持70%和50%的時間。,半導(dǎo)體照明工程863項目 （2008.6.17）,LED功能性照明系統(tǒng)集成技術(shù)開發(fā)課題申請指南 內(nèi)容之一：功率型LED在實際環(huán)境下成組使用時燈光的散熱技術(shù)，提高發(fā)光；效率及使用壽命 指標之一：燈光整體光效80lm/W 熱阻9/W,正常點亮?xí)r結(jié)溫溫升25 工作壽命50000小時（光通量下降到初始值70%）,熱輻射是由物體的溫度所產(chǎn)生的而以電磁輻射的形式發(fā)射的能量。 黑體的吸收本領(lǐng)和輻射本領(lǐng)在同溫度的物體中是最大 。 黑體在單位時間內(nèi)發(fā)出的熱輻射熱量由斯忒藩一坡爾茲 曼定侓(Stefan-Boltzmann)決定： AT T黑體的絕對溫度K、A輻射表面積m， 黑體輻射常數(shù) 又稱四次方定侓，是輻射傳熱計算的基礎(chǔ),三、傳熱的三種方式,1、熱輻射,-8,5.67X10 W/（m .k ）,4,2,2、熱傳導(dǎo),熱傳導(dǎo)是物體各部分之間不發(fā)生相對位移時， 依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子的熱運動而 產(chǎn)生的熱能傳遞，簡稱導(dǎo)熱。 導(dǎo)熱現(xiàn)象規(guī)律已總結(jié)為傅里葉(Fourier)定律。 單位時間內(nèi)通過該層的熱量與該處溫度的變化 率及平板面積A成正比。 A 稱熱導(dǎo)率，又稱導(dǎo)熱系數(shù),dt dx,3、熱對流,熱對流是指由于流體的宏觀運動，與流體的流 體之間的熱量傳遞進程。 對流傳熱可區(qū)分為自然對流和強制對流，此外 還有液體在熱表面上沸騰傳熱和蒸氣在冷表面上凝 結(jié)傳熱。(熱管是這二者的巧妙結(jié)合)： 基本公式是牛頓（Newton）冷卻公式 hAt h稱對流換熱系數(shù)單位是W/(mk),下表給出幾種對流傳熱過程對流換熱系數(shù)值的大致范圍 進程 h/w/(mk) 自然對流：空氣 110 水 201000 強制對流：氣體 20100 高壓水蒸氣 5003500 水 10001500 水的相變換熱：沸騰 25003500 蒸氣凝結(jié) 500025000,掌握典型條件下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的數(shù)量及 是很有必要的。 就介質(zhì)而言，水的對流傳熱比空氣強烈。 就對流傳熱方式而言，有相變的優(yōu)于無相變的強制對流 優(yōu)于自然對流。 路燈的熱學(xué)設(shè)計包括導(dǎo)熱和散熱 路燈的散熱設(shè)計要充分注意氣流的形成以加強對流,四、散熱的傳統(tǒng)措施,1.強制（主動）散熱 （1）風(fēng)冷 （2）水冷（包括噴射水冷） （3）半導(dǎo)體制冷 2.自然散熱（熱傳導(dǎo)） 散熱器 散熱面積 氣流 防積灰,3、相關(guān)材料熱導(dǎo)系數(shù),熱導(dǎo)系數(shù)的單位為W/mk，即截面積為1平方米的柱體沿軸向1米距離的溫度為絕對溫度1k(1k=1)時的熱導(dǎo)功率。,五、熱管技術(shù),1963年G.W.Grover 發(fā)明熱管散熱技術(shù)。 熱管是依靠自身內(nèi)部工作液體相變來實現(xiàn)傳熱的元件；它是利用熱源本身的能量，將熱量轉(zhuǎn)移到冷端。熱管一端是蒸發(fā)端，另一端為冷凝端，內(nèi)充適量的液體作工作介質(zhì)，氣相、液相循環(huán)，在一定溫差下將熱量不斷地傳導(dǎo)出來。原用于航天技術(shù)，現(xiàn)廣泛用于電腦的CPU散熱。 傳熱效率比相同重量的金屬高100倍！,1、直管熱管,毛細頭,平衡時有:,上升高度h:,就是毛細頭,它是熱管循環(huán)的基本推動力,熱管工作示意圖,不同大小熱管的性能（1mm2 )倒裝芯片）,2、回路熱管,前蘇聯(lián)Maidanik 發(fā)明 用于宇航,一支15萬美元 不久發(fā)表文章,說明可用于功率電子器件的散熱. 由蒸發(fā)器，回路管和冷凝器三部份組成，效率更高 蒸發(fā)器熱阻 0.150.2/W 整體熱阻 0.5/W 蒸發(fā)器熱阻0.1/W 量產(chǎn)成本10美元/個（用于100W） 壽命長（十年），1212天連續(xù)試驗性能未變。（3.3年）,3、平板熱管 直管熱管是一維導(dǎo)熱 平管熱管是二維導(dǎo)熱 效率明顯提高,六、LED發(fā)光效率與熱轉(zhuǎn)換分析,研究路線分析,（一）對器件本身研究提高發(fā)光效率 1、提高芯片的內(nèi)量子效率（增光減熱） 1）改進結(jié)構(gòu) 雙異質(zhì)結(jié) 量子阱 2）減少Auger復(fù)合所產(chǎn)生的熱量（非輻射）（Lumileds） 3）增強耐熱性（Lumileds） 4）減少漏電流（弗吉尼亞大學(xué)研究組）,2、提高出光效率（增光） 1）表面粗化、微透鏡 2）光子晶體 3）高折射率封裝材料,（二）低熱阻降溫升，保持較高發(fā)光效率 1、垂直結(jié)構(gòu) 電流均勻，無橫向電流擁塞 現(xiàn)象 2、 高導(dǎo)熱結(jié)構(gòu) （層數(shù)少、薄、面積大、高導(dǎo)熱材料）組成低熱阻通道 芯片、器件、燈具均如此。 3、采用熱管、重力熱管、介質(zhì)對流等高導(dǎo)熱元件。,（三）散熱降溫升，保持較高發(fā)光效率 1、足夠的散熱面積， 1.5d/W 2、優(yōu)良的對流設(shè)計（氣流垂直流動） 3、高導(dǎo)熱材料,目前解決LED路燈散熱問題的技術(shù)措施 1、選用高效功率LED 2、選用低熱阻功率LED 3、設(shè)計低熱阻通道 4、設(shè)計優(yōu)良的散熱結(jié)構(gòu)（垂直對流和足夠散熱面積）,七、LED結(jié)溫升高原因，及其與性能關(guān)系,深圳燈管局路燈檢測中心主任吳春海： “我們檢測了28款燈具，但是都不滿意，最高我只給70分”。 “在2008-2009年跟蹤中，寧波有5套燈具失效了”。 “過去三年在中國安裝的70%的燈具失效了，而在中國以外安裝的只有30%失效?！?原因何在？,解決措施：芯片內(nèi)部熱量積累,1、降低芯片內(nèi)阻，降低壓降。 （3.8V 2.8V）(350mA) 2、降低器件熱阻 （203/W）,解決措施：界面導(dǎo)熱,1、以焊代粘 5467 0.33（W/mK） 選用熱導(dǎo)率高的材料 2、使用熱管 比銅導(dǎo)熱能力高100倍。 3、采用均熱板，減除溫升特高部分，提高散熱效 率。 4、使用微通道技術(shù)，用泵。 5、使用微噴技術(shù) ，用泵。 6、采用油汀原理技術(shù)。,解決措施：散熱效率不高,1、選用高導(dǎo)熱材料，不同鋁合金，效果不一樣。 2、足夠的散熱面積 1.5d/W 3、優(yōu)良的對流設(shè)計,八、主動和被動散熱方案,（一）主動散熱方案 1）半導(dǎo)體制冷 2）電風(fēng)扇吹風(fēng) 3）微通道技術(shù) （微泵） 4）微噴技術(shù)（泵）,主動冷卻進展 （一）合成噴氣組件 （1）可有效地將熱從熱源轉(zhuǎn)到空氣中 （2）低噪聲 （3）高可靠性，超過高可靠風(fēng)扇 （4）低功耗,通用電氣公司全球研發(fā)中心發(fā)布，研發(fā)出利用噴射技術(shù)應(yīng)用于LED照明之中，可用于高功率（100W）的燈具。 33W LED燈100W鹵鎢燈,（二）壓電微噴泵 壓電微噴泵提供的空氣流功率似乎太低，（對于高功率LED系統(tǒng)熱沉冷卻），但對低功率（10W）還是可以的。 （Japanese Journal of applied physics） Vol 47 2008 pp8615-8616,（三）熱沉壓電風(fēng)扇 （1）由于壓電風(fēng)扇引入的空氣進入到熱沉，形成層流通過鰭片熱交換如區(qū) （2）進入?yún)^(qū)，當(dāng)壓電風(fēng)扇振動，在區(qū)形成旋風(fēng)，此外冷卻空氣從熱沉上下來到區(qū)，所以有新鮮的冷卻空氣進入到空氣流旋風(fēng)就形成。 （3）旋風(fēng)被形成由室區(qū)，在區(qū)出口形成線流 （4）冷卻容量1/w超過75cm2 （5）空氣流速 1.5m/s,IEEE transactions on components and packaging technologies Vd 33 . pp25 . 2010,（1）Dan schlitz , vishal singhal 普渡大學(xué)畢業(yè)生受NSF支持六年不慢的成果 目前在 Thorm Micro Technalog Inc （2）產(chǎn)生的微風(fēng)達2.4m/s，作為比較，較大的機械風(fēng)扇氣流是0.7/1.7m/s （3）這一功率可冷卻25W芯片，器件大約1cm3 ,有朝一日能集成到硅上，做成自冷 （/369860/video-rsd5-solid-state-fan-in-action）,（四）固態(tài)風(fēng)扇,（二）被動散熱方案 1）僅用翅片散熱（金源） 2）依靠重力液體流動 3）均熱板 4）熱管,重力熱管 單管熱管（新強光電、聚光） 平板熱管（三維） 回路熱管（ 陽杰科技、偉志） 后三種仍應(yīng)用翅片散熱 主動散熱方案向被動散熱方案發(fā)展是科技發(fā)展的必然趨勢,九、LED燈具的熱學(xué)設(shè)計,1、LED燈具的散熱通道,2、結(jié)溫和熱阻的測量,熱學(xué)參數(shù)結(jié)溫和熱阻之測量,結(jié)溫的測量采用電壓測量法，原理是LED PN結(jié)的VF與溫度成線性關(guān)系（負溫度系數(shù)） 測試電路如圖,LED結(jié)溫 測試程序,（1）選路開關(guān)打到1，小電流Im 對待測LED供電，測得VF1 （2）選路開關(guān)打到2，由大電流IH 對待測LED供電，并持續(xù)一段時間TH ，測得VH ，從而得到耗散功率PH 。 （3）迅速將開關(guān)打加1，由小電流對LED進行供電，及時測得VF2 如圖所示,計算如下：,V = VF1 - VF2 Tj = Tj0 + Tj Tj 是待測結(jié)溫. Tj0 是未加功率前初始結(jié)溫T j 是加功率后此起的LED結(jié)溫差（Tj Ta） Im 一般取小電流1mA、5mA或10mA 由LED功率大小而定,器件的電壓溫度系數(shù)由實驗可測得： K = TH T1/V1 VH 熱阻R j a = T j / PH = ( KVF )/ ( IHVH ) 由SSP8810可測各種功率LED的結(jié)溫和熱阻 采用取代負載方法可測組件或燈具上某一個器件的結(jié)溫，由此可分析LED乃至組件燈具的幫命。,Tj-Tb IfVf,測量一個組件，LED組件內(nèi)有五個LED芯片，每個芯片0.49W 先對結(jié)溫Tj逐一進行測量，N個數(shù)據(jù)不相同，測得平均 值：R*=82.0 /W.由下式求得 R*= (/W),用熱成像測試芯片表面溫度的測量結(jié)果如下表： (a) (b) If(mA) 120 120 Vf(V) 4.1 20.4 功率(W) 0.49 2.45 位置 b a b c d e Tb() 26.0 34.3 34.3 34.3 34.3 34.3 最大值 68.6 95.8 85.7 91.8 85.5 91.7 芯片溫度() 最小值 57.8 80.6 72.7 75.7 72.6 76.8 平均值 64.8 88.6 79.6 84.6 79.4 84.7 或 ( /W) 78.9 110.9 92.5 102.7 92.1 102.9 平均值 ( /W) / 100.2 ( /W) / 20.0,3.熱學(xué)設(shè)計原則,總原則是使芯片、器件、燈具結(jié)構(gòu)具有低熱阻和高效的散熱 器使芯片上產(chǎn)生的熱量，能通暢地傳到散熱器上，并有效散發(fā) 到環(huán)境中去。 熱阻就是結(jié)構(gòu)對熱功率傳輸所產(chǎn)生的阻力。通常將兩個節(jié)點之 間單位熱功率輸所產(chǎn)生的溫度差定義為該兩個節(jié)點間的熱阻 RT為兩節(jié)點間的熱阻； T為兩節(jié)點之間的溫度；PD為兩個節(jié)點之間的熱功率流，熱阻單位為/W,傳導(dǎo)熱阻： 結(jié)構(gòu)層熱阻RT，正比于層的厚度，反比于材料的熱導(dǎo)率和層的面積S； 擴展熱阻： 當(dāng)一熱功率流通過一小面積進入到無限固體中去時，所產(chǎn)生的 熱阻為擴展熱阻。它的大小除了為該無限固體材料的熱導(dǎo)率有關(guān) 外，不僅于面積有關(guān)，而且還于形狀有關(guān)。就給定面積而言， 細長形接觸的擴展熱阻低于方形，環(huán)形的擴展熱阻小于橢圓形 的，更小于圓形。,LED燈具的總熱阻，就是結(jié)構(gòu)層熱阻和擴展熱阻之積。 R總=R1-2+R3-4+R4-5+R5-6+R6-7+R7-8+R8-9 從以上熱學(xué)分析，可得出如下幾條設(shè)計原則。 （1）結(jié)構(gòu)層越少越好； （2）層的厚度越薄越好； （3）層的面積越大越好； （4）面積一定時，長形或環(huán)形較好； （5）材料的熱導(dǎo)系數(shù)越大越好。,如采用熱傳導(dǎo)散熱片散熱 48W LED 電路板要 30cm x 30cm 散熱板要50cm x 50cm，厚度4mm 銅或鋁板 100W 則還要翻倍！,4、相關(guān)材料熱導(dǎo)系數(shù),熱導(dǎo)系數(shù)的單位為W/mk，即截面積為1平方米的柱體沿軸向1米距離的溫度為絕對溫度1k(1k=1)時的熱導(dǎo)功率。,5、LED路燈的熱學(xué)設(shè)計,（1）R1-3 芯片熱阻 採用MVP LED芯片 熱阻僅 0.19/W；金屬襯底 正裝藍寶石100m 2.91/W；薄藍寶襯底 正裝藍寶石150m 4.37/W；厚藍寶襯底 （2） R3-5 MVPLED AuSn 共晶 0.23/W； MVPLED 銀漿 2.23 /W； 藍寶石 100m 銀漿 4.95 /W； 藍寶石 150m 銀漿 6.41/W 。,MVP 功率LED熱阻分析,功率LED不同結(jié)構(gòu)熱阻之比較,1、正裝芯片/銀膠固晶 7.60(k/W) 2、正裝芯片/共晶固晶（Au-Sn） 3.77 3、硅封底金球倒芯片/銀膠固晶 5.84 4、硅封底金球倒芯片/共晶固晶（Au-Sn） 4.30 5、A/N封底共晶倒芯片/銀膠固晶 3.62 6、A/N封底共晶倒芯片/共晶固晶（Au-Sn） 2.09 7、MV芯片/共晶固晶（Au-Sn） 0.98,1W功率器件 RT 已從四年前25/W 下降到目前的5-9/W；MVPLED共晶已降到3.2-3.8/W （3） R5-6 焊接或粘結(jié)層 焊粘熱導(dǎo)系數(shù)比粘結(jié)物高幾十倍，盡可能用焊料層薄。 （4） R6-7 熱沉或熱管的熱阻 單管熱管可達5-6/W ，回路熱管為0.5 /W 。 銅、鋁或高熱導(dǎo)系數(shù)的鋁合金優(yōu)選。 （5）R7-8 熱沉或熱管與散熱器之間的接觸層 用平面之間的硬接觸再加導(dǎo)熱硅脂是通用選擇，接觸面要 平、 要大。,（6）R8-9 散熱器 在LED路燈中可借用燈殼，一般用熱導(dǎo)系數(shù)高的鋁合金，壓 鑄或拉伸均可，關(guān)鍵是表面積盡可能大，散熱片形狀有利于形成 氣流，也要有利于雨水沖刷灰塵，以使不致積土后影響散熱。 （7）驅(qū)動器也會發(fā)熱，盡可能與LED分開。以免加大LED溫升。,十、案例,1.Neopac 新強光電 單管 每個單元 8-10W 2005.9.30 荷花燈 9個8W成環(huán)形組成 Ta=25時結(jié)溫僅60上升35 控制結(jié)溫75時熱組4.38/W 功率72W光通量1800lm 2005.10.26 80w LED燈 10個8w點光源=排組合 光通量為2000lm，熱組4.37/W 發(fā)光較率25lm/W. 單元試驗83000小時。已在天津裝1300只 北美“LED city”.,2.陽杰科技,回路熱管. 100W LED路燈 6000lm 16 1x(北美9lx)60 lm/W 150W LED路燈 8800lm 22.5 lx (北美9 lx)59 lm/W 據(jù)稱已達 72lm/W，（LED）比鈉燈省電 53.5%. 20個月道路試驗幾無變化!,3、偉志光電,(1)組件,（2）LED路燈,4、三維傳熱,5、簡單LED燈具熱導(dǎo)計算模型 甲 乙,甲 熱穩(wěn)定狀態(tài)時的溫度狀況,采用等效電路的熱阻算法 R總R1+R2+R3+R4+R5+R6 R1 支撐板和鋁基板之間的附加導(dǎo)熱層的熱阻 R2 支撐板的熱阻 R3 散熱板和塑料外殼之間的附加導(dǎo)熱層的熱阻 R4 塑料外殼的熱阻 R5 橡膠外皮的熱阻 R6 橡膠外皮處于空氣中的對流換熱的熱阻,計算,R1= = =0.619(k/w) R2= = =0.1648(k/w) R3= = =0.1648(k/w) R4= = =9.841(k.w) R5= = =3.033(k/w) R6= = = =9.685(k/w) 上式中6 為平均換熱系數(shù)；L定性長度取園柱直徑 GrLPr 分別為無量綱的格拉曉夫數(shù)和普朗特數(shù)，不同情況下可由表查得，C為適配系數(shù)。A6與時流換熱的有數(shù)面積 K6為空氣的導(dǎo)熱系數(shù),d1 _ K1 A1,1d3 _ K3 A3,1 _ 0.7,1.5x10 _ x0.0105,1 _ K2 2d2,1 _ 0.33,1 _ 2x0.006,d5 _ K5 A5,1 _ 0.7,0.0001 _ 2x0.023x0.006,d4 _ K4 A4,L _ K6c(Gr2Pr)A6,1 _ 0.33,0.054 _ 20.67x106x0.53x2x0.023x0.006,0.003 _ 2x0.0245x0.006,1 _ 6 A6,1 _ 0.33,0.001 _ 2x0.0265x0.006,c(GrLPr)k6 _ L,總熱阻 R總=86.37(k/w) LED的有1w的功率變成熱量則鋁基板溫升為 T=(T2-T1)=qR=86.37(k) T2為鋁基板溫度；T1為環(huán)境溫度 若 T140 則 T2126 LED的結(jié)溫要達到166 顯然太高,改進方案 以0.3mm厚的電解銅散熱板 如乙 其它部份不變 電解銅散熱板的熱阻為 R2= ln = x0.7841=1.078(k/w) 電解銅散熱板有折邊6mm，這部份等效熱阻為 R7= = =0.1793(k/w) R總=R1+R2+R4+R5+R6+R7=24.60(k/w) T=(T1-T2)=qR=24.60(k)