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高功率LED利用的散热设计

在全球性的能源缺乏和环境污染加剧的今天,LED以其节能环保的特点有着广阔的利用空间。LED灯具由LED器件、散热结构、驱动器、透镜组成。假如LED器件不能很好散热、它的寿命也会受影响。根据Cree XLamp XR-E 的测试报告,LED器件温度越低,越能延伸LED灯的寿命。因此,解决热量治理标题已成为高亮度LED利用中的关键。
不过,LED光源热量的多少并不是影响LED的重要标题,热量集中(从而形成热点)才是标题的关键。对一般尺度的LED器件而言,1W LED器件的热通量大约为100W/cm2,3W LED器件的热通量则高达300W/cm2,而一般的CUP的热通量才为60~130W/cm2。热量集中在尺寸很小的晶片内,晶片温度升高,引起热应力的散布不均匀、晶片发光效率和萤光粉发射效率降落。当温度超过必定值时,器件失效率呈指数规律增加。当多个LED密集排列组成白光照明系统时,散热标题就更严重了。

LED器件的散热道路重要是热传导和热对流。传统上,LED灯具的散热结构包含基底、散热片以及散热器。基底将晶粒的热能传导出来,可以导热但不导电。散热片将热扩散开来,以免热堆积于LED 光源处,并且可以晋升散热器的效率。散热器则可以热有效地发散于空气中。不过,基底材料极低的热导率轻易导致器件热阻增加,产生严重的自加热效应,对器件的性能和可靠性带来毁灭性的影响。

Microloops(迈科)的均热板(Vapor Chamber)能实现超高热流密度传热,可解决高功率LED的热点标题。均热板是一个内壁具微结构的真空腔体,当热由热源传导至蒸发区时,腔体里面的工质会在低真空度的环境中,便会开端产生液相气化的现象,此时介质接收热能并且体积敏捷膨胀,气相的介质会很快布满全部腔体。当气相介质接触到一个比拟冷的区域时便会产生凝聚的现象,藉由凝聚的现象开释出在蒸发时累积的热,凝聚后的液相介质会藉由微结构的毛细现象再回到蒸发热源处。此运作将在腔体内周而复始进行,这就是均热板的运作方法。由于工质在蒸发时微结构可以产生毛细力,所以均热板的运作可不受重力的影响。


图1:采用均热板LED灯的散热结构往掉了基底。

图1给出了采用均热板的LED灯的散热结构,它往掉了基底,减少一大部分热阻。 LED器件可以紧密排列并直接绑定在均热板上,并以尺度打线封装机台直接封装LED器件及相干电路,构建成一个独立光源。
这种将LED器件直接绑定在均热板上的方法有明显的利益。LED器件的下方与均热板接触,可以通过均热板把点热源扩散并可有效地将热传递至后端,从而下降热点溫度Tj,提高LED寿命。此外,这种方法还可集中摆放LED器件,让光源集中,有利二次光学设计。而采用SMD封装的均热板还可以应用SMD主动化设备进行大批量生产。
图2给出了采用均热板的高功率LED灯(将总功率为50W的多个LED直接绑定在均热板)与采用铜基底的同样功率LED灯的温度对照。


图2:采用均热板(VC)和采用铜基底(Cu)的高功率LED灯的温度对照。

除了利用在高功率LED路灯外,目前均热板解决计划还重要用在功率半导体冷却、刀片服务器、图形显示卡、电信基础设施、功放、雷达发射模块、卫星和笔记本电脑上。迈科的均热板的尺寸和外形可定制,其最低热阻已低至每瓦0.05度,厚度小于3mm。该公司还开发了能处理300W热功率以上的均热板来解决高端图像卡的散热标题。超薄设计可供给3.0mm厚度均热板可为单插槽图像卡供给150W的散热才能。