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3个角度分析基于COB技术的LED的散热性能

2015-11-14 09:58
Minor昔年
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  本文重点从封装角度对LED的散热性能进行热分析,并进行热设计。采用COB技术,直接将LED芯片封装在铝基板上,缩短了热通道和热传导的距离,从而降低了LED的结温,设计出一种基于COB技术的LED。分析其等效热阻网络,比较不同封装方法对整个LED器件散热性能的影响,并进行红外热像图分析。

  引言

  LED器件在工作中的功率损耗通常以热能耗散的形式表现,任何具有电阻的部分都成为一个内部热源,导致热密度急剧上升,于是器件本身温度也随之上升,同时周围的环境温度也会影响内部温度,从而影响到LED的可靠性、性能和寿命。研究表明,随着温度的增长,芯片失效率有增长的趋势,因此对LED封装时进行可靠的热设计,实施有效的热控制措施是提高其可靠性的关键。

  在电子行业,器件环境温度每升高10℃时,往往其失效率会增加一个数量级,这就是所谓的“10℃法则”。当前采用的方法大多是从电路板的材料考虑,选用一些热导率高、稳定的材料,如铜、铝、陶瓷等。但仅仅通过电路板来改善散热问题是不够的,还要通过其他热设计的方法来提高LED的散热性能。

  散热技术

  任何电子器件及电路都不可避免地伴随有热量的产生,而要提高其可靠性以及性能,则必须使热量达到最小程度,采用适当的散热技术就成为了关键。

  物质本身或当物质与物质接触时,能量的传递就被称为热传导,这是最普遍的一种热传递方式,由能量较低的粒子和能量较高的粒子直接接触碰撞来传递能量。相对而言,热传导方式局限于固体和液体,因为气体的分子构成并不是很紧密,它们之间能量的传递被称为热扩散。

  热传导的基本公式为:

  Q=K×A×ΔT/ΔL (1)

  其中Q代表为热量,也就是热传导所产生或传导的热量;K为材料的热传导系数,热传导系数类似比热,但又与比热有一些差别,热传导系数与比热成反比,热传导系数越高,其比热的数值也就越低。举例说明,纯铜的热传导系数为396.4,而其比热则为0.39;公式中A代表传热的面积(或是两物体的接触面积),ΔT代表两端的温度差;ΔL则是两端的距离。因此,从公式中我们就可以发现,热量传递的大小同热传导系数、传热面积成正比,同距离成反比。热传递系数越高、热传递面积越大,传输的距离越短,那么热传导的能量就越高,也就越容易带走热量。

  LED的散热性能和封装

  LED作为一代新光源,逐步应用到普通照明中来,其最基本的光学要求即光通量,目前提高LED光通量有两种方式,分别为增加芯片亮度以及多颗密集排列等方式,这些方法都需输入更高功率的能量,而输入LED的能量,只有少部分会转换成光源,大部分都转成热能,在单颗封装内送入倍增的电流,发热自然也会倍增,因此在如此小的散热面积下,散热问题会逐渐恶化。

  与传统光源一样,LED在工作期间也会产生热量,其多少取决于整体的发光效率。在外加电能量作用下,电子和空穴的辐射复合发生电致发光,在PN结附近辐射出来的光还需经过LED芯片本身的半导体介质和封装介质才能抵达外界。综合电流注入效率、辐射发光量子效率、晶片外部出光效率等,最终大概只有30%~40%的输入电能转化为光能,其余60%~70%的能量主要以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化成热能。而LED芯片温度的升高,则会增强非辐射复合,进一步削弱发光效率,并且缩短寿命。LED灯所采用的散热技术必须能够有效降低发光二级管PN结到环境的热阻,才能尽可能降低LED的PN结温度来提高LED灯的寿命。

  图1所示为在工作电流恒定的条件下,Lumidleds1W LED的光衰与结温的关系曲线,可见结温越高,光通量衰减越快,寿命也就越短。

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