散熱設(shè)計延長LED使用壽命 散熱材料該如何選擇和運用？

文章來源:恒光電器

發(fā)布時間:2017-09-25

瀏覽次數(shù):次

　

開發(fā)人員可以通過有效的散熱管理來提高LED的效率和使用壽命,，但JADE BRIDGES解釋說,，精心選擇散熱材料和應(yīng)用方法至關(guān)重要。

LED行業(yè)是發(fā)展最快的技術(shù)行業(yè)之一,。盡管LED應(yīng)用于許多電子設(shè)備中已多年,，但是近來更多的大功率LED應(yīng)用于各種照明、汽車（圖1）,、招牌和家用電器產(chǎn)品中,，數(shù)量不菲�,；�于LED的照明非�,？煽浚�但可靠性取決于組件周圍良好的散熱設(shè)計,。本文將介紹如何仔細選擇散熱材料以及了解如何運用這些材料,。

圖1. 汽車LED大燈應(yīng)用不僅要求良好的散熱， led商業(yè)照明,，而且要求能同時保護好LED燈,。

LED作為鹵素燈、白熾燈和熒光燈照明系統(tǒng)的替代品,，其照明市場的發(fā)展將是很可觀的,。LED的增長歸功于LED在適應(yīng)性、壽命和效率方面優(yōu)于傳統(tǒng)照明形式,。LED有更多的設(shè)計自由度，提供非常長的使用壽命,，CCC認證,，并且也相當高效,，能將大部分能量轉(zhuǎn)換成光，從而最大限度地減少散發(fā)的熱量,。

產(chǎn)生熱量

然而,，LED仍然在半導(dǎo)體結(jié)處產(chǎn)生明顯的熱量。這種熱量可對LED產(chǎn)生不利影響,，因此必須進行散熱,，以確保實現(xiàn)固態(tài)照明（SSL）的真正優(yōu)勢。LED通常通過色溫進行分類,，市場上有很多不同顏色的變體,。

假如LED的工作溫度發(fā)生變化，其色溫也會發(fā)生變化,。例如,，白光的溫度升高，可導(dǎo)致LED發(fā)出較暖的CCT,。另外,，如果在相同陣列中的LED上存在芯片溫度的變化，則可能發(fā)射一定范圍的色溫,，從而影響終端照明產(chǎn)品的質(zhì)量和外觀,。

如表1所示，保持LED的正確芯片溫度不僅可以延長使用壽命,，而且還可以產(chǎn)生更多的光,；因此，可以只需要少數(shù)量的LED就可以實現(xiàn)期望的效果,。工作溫度的升高可能會對LED的性能產(chǎn)生負面的影響,，但這種影響是可以恢復(fù)的。然而,，設(shè)計,，如果超過結(jié)溫，特別是高于LED（120-150℃）的最高工作溫度,，CE認證,，則可能會發(fā)生不可恢復(fù)的影響，導(dǎo)致完全失效,。

表1. 如CREE XLamp LED的特性所示,，LED性能隨溫度的變化而變化。

實際上,， led亮化工程公司,，工作溫度與LED的壽命直接相關(guān)；溫度越高，技術(shù)資訊,，LED壽命越短,，如圖2所示。LED驅(qū)動器也是同理,，其壽命是由電解電容器的壽命決定,。通過計算，可以確定,，工作溫度每下降10℃,，電容器的壽命增加一倍。因此,，確保有效的散熱管理可為LED陣列提供一致的質(zhì)量,、外觀和使用壽命，從而為不斷發(fā)展的行業(yè)開辟進一步應(yīng)用的機會,。

圖2. 曲線記錄了Cree XLamp LED在350 mA驅(qū)動下的結(jié)溫與壽命間的關(guān)系,。

導(dǎo)熱緩解

有許多方法來改善LED產(chǎn)品的散熱管理，必須選擇正確類型的導(dǎo)熱材料,，以確保實現(xiàn)所需的散熱效果,。在材料領(lǐng)域，產(chǎn)品范圍從提供散熱和環(huán)境保護的導(dǎo)熱封裝樹脂到用于提高導(dǎo)熱效率的導(dǎo)熱接口材料,。

導(dǎo)熱接口材料是設(shè)計用于填充器件和散熱器之間間隙的化合物,， led質(zhì)量，從而降低兩者之間邊界處的熱阻,。這種材料會加快熱損失,，家用照明，降低設(shè)備的工作溫度,。固化產(chǎn)品也可用作粘合材料,。實例包括硅氧烷RTV（室溫硫化）或環(huán)氧化合物。材料的選擇通常取決于所需的粘合強度或工作溫度范圍,。

導(dǎo)熱的另一個選擇是使用導(dǎo)熱封裝樹脂,。這些產(chǎn)品設(shè)計用于提供對設(shè)備的保護，同時還讓設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生的熱量散發(fā)到周圍環(huán)境中,。在這種情況下,，封裝樹脂變成散熱器，并將熱能從設(shè)備傳導(dǎo)出去,。這些產(chǎn)品可用于LED裝置上,，并且還可以根據(jù)所選擇的顏色幫助從單元內(nèi)進行光提取。

封裝樹脂還包括使用導(dǎo)熱填料,；然而,，廠房照明,，可以改變所使用的基礎(chǔ)樹脂、硬化劑和其它添加劑,，以提供廣泛的選擇,，包括環(huán)氧樹脂、聚氨酯和硅樹脂化學品,。不同的化學材料將提供一系列的屬性，每個都應(yīng)該考慮到最終的應(yīng)用需求,。

封裝材料選項

例如,，聚氨酯材料提供優(yōu)異的柔韌性，特別是在低溫下,，相對于環(huán)氧樹脂類來說是一個主要優(yōu)點,。有機硅樹脂也可以在低溫下提供這種靈活性，并提供優(yōu)異的高溫性能,，超過其他現(xiàn)有的化學成分,。有機硅產(chǎn)品通常也更昂貴。

環(huán)氧樹脂類非常堅固,，在各種惡劣環(huán)境中提供卓越的保護,。它們是具有低熱膨脹系數(shù)的剛性材料，并且在一些情況下可以在產(chǎn)品中加入一定程度的柔性,。封裝樹脂的加入可以為各種應(yīng)用產(chǎn)生大量的具有定制性能的產(chǎn)品,；因此，建議與相關(guān)材料供應(yīng)商詳細討論應(yīng)用,。

應(yīng)用屬性

不管選擇的散熱產(chǎn)品的類型如何,，還有一些關(guān)鍵屬性也必須考慮。這些可以是相當簡單的參數(shù),，例如設(shè)備的操作溫度,、電氣要求或其他限制條件，如粘度,、固化時間等,。

其他參數(shù)對于設(shè)備來說更為重要，而僅僅一個數(shù)值可能不足以選定正確的產(chǎn)品,。 熱導(dǎo)率是一個主要的例子,。熱導(dǎo)率單位為瓦/米·度(W/m·K)，代表材料的熱傳導(dǎo)能力,。堆積導(dǎo)熱率值建立在大多數(shù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)表上,，可以很好地反映預(yù)期的熱傳導(dǎo)水平，從而可以比較不同的材料,。

但是,，只依賴堆積導(dǎo)熱率值不一定會有最有效的熱傳遞,。

熱阻的單位是K·m2 /W，是熱導(dǎo)率的倒數(shù),，它考慮了界面厚度,。盡管度量標準取決于接觸面和施加的壓力，但是可以遵循一些一般規(guī)則來確保熱阻值最小,，從而將傳熱效率最大化,。

例如，相比在界面處使用的傳熱化合物,，金屬散熱器具有更高的熱導(dǎo)率,，所以只需要使用薄薄的一層該化合物。在這種情況下,，增加厚度只會增加熱阻,。使用圖3中的公式，就可以比較出使用50 μm的熱膠和0.5毫米厚度的導(dǎo)熱墊產(chǎn)生的熱阻差異,。因此,，較低的界面厚度和較高的熱導(dǎo)率可以最大程度地改善熱傳遞。

圖3. 了解熱阻公式是選擇最佳熱材料時所必需的,。

應(yīng)用方法

我們在產(chǎn)品選擇中需要考慮另一個重要因素 - 散熱管理材料的應(yīng)用,。 無論是封裝化合物還是界面材料，導(dǎo)熱介質(zhì)中的任何間隙都會導(dǎo)致散熱速率的降低,。