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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?

散热设计延长LED使用寿命 散热材料该如何选择和运用?

发布日期:2017-09-26  来源:LED网  
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说明说,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木行业之一。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。本文将先容如何仔细选择散热材料以及了解如何运用这些材料。
 
 
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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就可以实现希望的效果。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,以提供厂泛的选择,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。
 
封装材料选项
 
例如,聚氨酯材料提供优异的柔韧性,特别是在低温下,相对于环氧树脂类来说是一个主要优点。有机硅树脂也可以在低温下提供这种灵活性,并提供优异的高温性能,超过其他现有的化学成分。有机硅产品通常也更昂贵。
 
环氧树脂类非常坚固,在各种恶劣环境中提供卓越的保护。它们是具有低热膨胀系数的刚性材料,并且在一些情况下可以在产品中加入一定程度的柔性。封装树脂的加入可以为各种应用产生大量的具有定制性能的产品;因此,建议与相关材料供应商详细讨论应用。
 
应用属性
 
不管选择的散热产品的类型如何,还有一些关键属性也必须考虑。这些可以是相当简单的参数,例如设备的操作温度、电气要求或其他限制条件,如粘度、固化时间等。
 
其他参数对于设备来说更为重要,而仅仅一个数值可能不足以选定正确的产品。 热导率是一个主要的例子。热导率单位为瓦/米·度(W/m·K),代表材料的热传导能力。堆积导热率值建立在大多数产品数据表上,可以很好地反映预期的热传导水平,从而可以比较不同的材料。
 
但是,只依赖堆积导热率值不一定会有最有效的热传递。
 
热阻的单位是K·m2 /W,是热导率的倒数,它考虑了界面厚度。尽管度量标准取决于接触面和施加的压力,但是可以遵循一些一般规则来确保热阻值最小,从而将传热效率大化。
 
例如,相比在界面处使用的传热化合物,金属散热器具有更高的热导率,所以只需要使用薄薄的一层该化合物。在这种情况下,增加厚度只会增加热阻。使用图3中的公式,就可以比较出使用50 μm的热胶和0.5毫米厚度的导热垫产生的热阻差异。因此,较低的界面厚度和较高的热导率可以大程度地改善热传递。
 
 

图3. 了解热阻公式是选择合适热材料时所必需的。
 
应用方法
 
大家在产品选择中需要考虑另一个重要因素 - 散热管理材料的应用。 无论是封装化合物还是界面材料,导热介质中的任何间隙都会导致散热速率的降低。
 
对于导热封装树脂来说,成功的关键是确保树脂可以在单元周围流动,包括进入任何小间隙。这种均匀的流动有助于去除任何气隙,并确保在整个单元中不产生热量。为了实现这种应用,树脂需要正确的导热性和粘度。通常,随着树脂的导热性增加,粘度也增加。
 
对于界面材料来说,产品的粘度或应用时可能的最小厚度对热阻有很大的影响。因此,与具有较低堆积导热率、较低粘度的产品相比,高导热性、高粘度的化合物虽然不能均匀地扩散到表面上,但是具有较高的耐热性和较低的散热效率值。为了将传热效率大化,用户需要解决堆积导热率、接触电阻、应用厚度和工艺。
 
表2突出了需要考虑这些要求。通过测量使用中的发热装置的温度,比较散热的潜在差异。这些结果是基于一名终端用户的工作得出的,其所有产品都是热界面材料,使用相同厚度,使用相同的方法。
 
 
表2. 如Cree XLamp LED所示,导热接口材料特性直接影响LED器件的温度。
 
从表中可以清楚地看出,较高体积热导率12.5 W/m·K与较低的1.4 W/m·K相比,不一定会有更有效的散热。这个原因可能是加工方法不适合该产品、该产品不易于应用、或者该产品不是为该特定应用设计的。无论什么原因,它突显了产品应用和产品选择的重要性;通过找到这两个参数的正确平衡,可以实现大的传热效率。
 
回顾图2“LED性能与寿命”中的原始数据,并以上述结果为例,可以得出结论:散热管理材料的使用和正确选择很重要。举表2中的产品#2。在测试应用程序中,将工作温度降低了20%。如果对所讨论的LED实现类似的降低百分比,则通过将工作温度从85℃降低至68℃,效率可以大大提高,类似地,寿命从95000小时提高到12万小时。这是一个很大的改进。
 
然而,当您将把上面的情况与表2中的产品#4进行比较时,通过降低更多的工作温度,可以将效率提高大于3%,寿命从95000小时增加到14万小时。因此,通过选择正确的产品并使用合适工艺,用产品#4代替产品#2时,寿命可以进一步提高15-20%。
 
随着电子工业的迅速发展,更具体地说在LED应用中,材料技木也必须满足越来越高的散热要求。该技木现在也被转移到封装化合物中,为产品提供更高的填料负载,从而提高导热性以及改善流动性。

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