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散热设计延长LED使用寿命 散热材料该如何选择和运用?

导读: LED作为卤素灯、白炽灯和荧光灯照明系统的替代品,其照明市场的发展将是很可观的。LED的增长归功于LED在适应性、寿命和效率方面优于传统照明形式。

开发人员可以通过有效的散热管理来提高LED的效率和使用寿命,但JADE BRIDGES解释说,精心选择散热材料和应用方法至关重要。

LED行业是发展最快的技术行业之一。尽管LED应用于许多电子设备中已多年,但是近来更多的大功率LED应用于各种照明、汽车(图1)、招牌和家用电器产品中,数量不菲。基于LED的照明非常可靠,但可靠性取决于组件周围良好的散热设计。本文将介绍如何仔细选择散热材料以及了解如何运用这些材料。

图1. 汽车LED大灯应用不仅要求良好的散热,而且要求能同时保护好LED灯。

LED作为卤素灯、白炽灯和荧光灯照明系统的替代品,其照明市场的发展将是很可观的。LED的增长归功于LED在适应性、寿命和效率方面优于传统照明形式。LED有更多的设计自由度,提供非常长的使用寿命,并且也相当高效,能将大部分能量转换成光,从而最大限度地减少散发的热量。

产生热量

然而,LED仍然在半导体结处产生明显的热量。这种热量可对LED产生不利影响,因此必须进行散热,以确保实现固态照明(SSL)的真正优势。LED通常通过色温进行分类,市场上有很多不同颜色的变体。

假如LED的工作温度发生变化,其色温也会发生变化。例如,白光的温度升高,可导致LED发出较暖的CCT。另外,如果在相同阵列中的LED上存在芯片温度的变化,则可能发射一定范围的色温,从而影响终端照明产品的质量和外观。

如表1所示,保持LED的正确芯片温度不仅可以延长使用寿命,而且还可以产生更多的光;因此,可以只需要少数量的LED就可以实现期望的效果。工作温度的升高可能会对LED的性能产生负面的影响,但这种影响是可以恢复的。然而,如果超过结温,特别是高于LED(120-150℃)的最高工作温度,则可能会发生不可恢复的影响,导致完全失效。

表1. 如CREE XLamp LED的特性所示,LED性能随温度的变化而变化。

实际上,工作温度与LED的寿命直接相关;温度越高,LED寿命越短,如图2所示。LED驱动器也是同理,其寿命是由电解电容器的寿命决定。通过计算,可以确定,工作温度每下降10℃,电容器的寿命增加一倍。因此,确保有效的散热管理可为LED阵列提供一致的质量、外观和使用寿命,从而为不断发展的行业开辟进一步应用的机会。

图2. 曲线记录了Cree XLamp LED在350 mA驱动下的结温与寿命间的关系。

导热缓解

有许多方法来改善LED产品的散热管理,必须选择正确类型的导热材料,以确保实现所需的散热效果。在材料领域,产品范围从提供散热和环境保护的导热封装树脂到用于提高导热效率的导热接口材料。

导热接口材料是设计用于填充器件和散热器之间间隙的化合物,从而降低两者之间边界处的热阻。这种材料会加快热损失,降低设备的工作温度。固化产品也可用作粘合材料。实例包括硅氧烷RTV(室温硫化)或环氧化合物。材料的选择通常取决于所需的粘合强度或工作温度范围。

导热的另一个选择是使用导热封装树脂。这些产品设计用于提供对设备的保护,同时还让设备内产生的热量散发到周围环境中。在这种情况下,封装树脂变成散热器,并将热能从设备传导出去。这些产品可用于LED装置上,并且还可以根据所选择的颜色帮助从单元内进行光提取。

封装树脂还包括使用导热填料;然而,可以改变所使用的基础树脂、硬化剂和其它添加剂,以提供广泛的选择,包括环氧树脂、聚氨酯和硅树脂化学品。不同的化学材料将提供一系列的属性,每个都应该考虑到最终的应用需求。

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