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光學工程
LED照明燈具散熱方式及材料的選擇

LED照明散熱問題一直是行業內最難攻克的城堡,解決散熱不僅在照明行業,在整個電子行業都是重點。LED的散熱問題將是限制LED照明未來能否在市場上取得更大成功的主要因素。因此做好一款燈具,如何選擇LED燈具散熱方式及散熱材料是關鍵。

眾所周知,LED的發光效率很高,而且還因為體積很小而深受設計師偏愛。但只有當不考慮散熱管理時,它們才真的“很小”。雖然與白熾燈光源高達2500℃的工作溫度相比,LED光源溫度要低得多。因此,很多設計師最終認識到,散熱是一個大問題。盡管LED也產生熱量,但它相對來說不是很高,因此散熱對LED本身來說還不是一個問題。不過,驅動LED工作的半導體器件允許的工作溫度低于100℃。

散熱問題是LED照明主要障礙

隨著LED材料及封裝技術的不斷演進,促使LED產品亮度不斷提高,LED的應用越來越廣,以LED作為顯示器的背光源,更是近來熱門的話題,主要是不同種類的LED背光源技術分別在色彩、亮度、壽命、耗電度及環保訴求等均比傳統冷陰極管(CCFL)更具優勢,因而吸引業者積極投入。

最初的單芯片LED的功率不高,發熱量有限,熱的問題不大,因此其封裝方式相對簡單。但近年隨著LED材料技術的不斷突破,LED的封裝技術也隨之改變,從早期單芯片的炮彈型封裝逐漸發展成扁平化、大面積式的多芯片封裝模組;其工作電流由早期20mA左右的低功率LED,進展到目前的1/3至1A左右的高功率LED,單顆LED的輸入功率高達1W以上,甚至到3W、5W封裝方式更進化。

由于高亮度高功率LED系統所衍生的熱問題將是影響產品功能優劣關鍵,要將LED組件的發熱量迅速排出至周遭環境,首先必須從封裝層級(L1&L2)的熱管理著手。目前業界的作法是將LED芯片以焊料或導熱膏接在一均熱片上,經由均熱片降低封裝模組的熱阻抗,這也是目前市面上最常見的LED封裝模組,主要來源有Lumileds、OSRAM、Cree和Nicha等LED國際知名廠商。

許多終端的應用產品,如迷你型投影機、車用及照明用燈源,在特定面積下所需的流明量需超過上千流明或上萬流明,單靠單芯片封裝模組顯然不足以應付,走向多芯片LED封裝,及芯片直接黏著基板已是未來發展趨勢。

散熱問題是在LED開發用作照明物體的主要障礙,采用陶瓷或散熱管是一個有效防止過熱的方法,但散熱管理解決方案使材料的成本上升,高功率LED散熱管理設計的目的是有效地降低芯片散熱到最終產品之間的熱阻,Rjunction-to-case是其中一種采用材料的解決方案,提供低熱阻但高傳導性,通過芯片附著或熱金屬方法來使熱直接從芯片傳送到封裝外殼的外面。

當然,LED的散熱組件與CPU散熱相似,都是由散熱片、熱管、風扇及熱界面材料所組成的氣冷模組為主,當然水冷也是熱對策之一。以當前最熱門的大尺寸LEDTV背光模組而言,40英寸及46英寸的LED背光源輸入功率分別為470W及550W,以其中的80%轉成熱來看,所需的散熱量約在360W及440W左右。

那么該如何將這些熱量帶走?目前業界有用水冷方式進行冷卻,但有高單價及可靠度等疑慮;也有用熱管配合散熱片及風扇來進行冷卻,比方說日本大廠SONY的46吋LED背光源液晶電視,但風扇耗電及噪音等問題還是存在。因此,如何設計無風扇的散熱方式,可能會是決定未來誰能勝出的重要關鍵。

[最優散熱方式

常用的有風冷,熱管,水冷等散熱方式,散熱效果肯定是按水冷,熱管,風冷遞減,風冷主要是通過風扇,散熱片等將熱量傳至周圍環境(最終還是通過空氣散熱的),達到散熱的目的。

優點:結構簡單,價格低廉(比較其它散熱方法),安全可靠、技術成熟。缺點:不能將溫度降至室溫以下,由于存在風扇的轉動,所以有噪音,風扇壽命有時間限制。

水冷原理和風冷很相似,只是利用水來導熱,簡單說就像化學實驗里的冷凝管(液氮的其實也是,只是把導熱物質換成溫度更低的液氮),有進水口和出水口,不斷的導出熱水注入冷水從而導走熱量。

熱管里面填充了特制的液態導熱介質,具體的工作原理是這樣的:熱管兩端產生溫差的時候,蒸發端的液體就會迅速氣化,將熱量帶向冷凝端,速度非常快。兩端溫差越大,蒸發速度越大。在極端的情況下,蒸發速度可能可以接近音速。液體在冷凝端凝結液化以后,通過毛細作用,流回蒸發端。如此循環往復,其實就是利用導熱介質氣化吸熱液化放熱實現散熱。

至于半導體和液氮致冷(風冷水冷無法將溫度降至室溫以下,半導體可以將穩定降到0度以下,而液氮更是可以達到-170度以下),其設備要求苛刻,成本高多用于工業生產,如果你想DIY還是不要選它們了。

水冷與風冷方式散熱技術對比

在影響電力電子裝置可靠性的多種因素中,散熱是至關重要的,大功率半導體器件工作時所產生的熱量,將導致芯片溫度的升高,如果沒有適當的散熱措施,就可能使芯片溫度超過所允許的最高結溫,從而導致器件性能的惡化以致損壞。所以在電路設計中,選擇適當的散熱方式,并進行合理的設計,是使器件的潛力得到充分發揮,提高電路可靠性不可缺少的重要環節之一。

散熱材質的選擇

一般說來,普通風冷散熱器自然要選擇金屬作為散熱器的材料。對所選用的材料,希望其同時具有高比熱和高熱傳導系數,從上可以看出,銀和銅是最好的導熱材料,其次是金和鋁。但是金、銀太過昂貴,所以,目前散熱片主要由鋁和銅制成。相比較而言,銅和鋁合金二者同時各有其優缺點:銅的導熱性好,但價格較貴,加工難度較高,重量過大,且銅制散熱器熱容量較小,而且容易氧化。另一方面純鋁太軟,不能直接使用,都是使用的鋁合金才能提供足夠的硬度,鋁合金的優點是價格低廉,重量輕,但導熱性比銅就要差很多。所以在散熱器的發展史上也出現了以下幾種材質的產品:

純鋁散熱器

純鋁散熱器是早期最為常見的散熱器,其制造工藝簡單,成本低,到目前為止,純鋁散熱器仍然占據著相當一部分市場。為增加其鰭片的散熱面積,純鋁散熱器最常用的加工手段是鋁擠壓技術,而評價一款純鋁散熱器的主要指標是散熱器底座的厚度和Pin-Fin比。Pin是指散熱片的鰭片的高度,Fin是指相鄰的兩枚鰭片之間的距離。Pin-Fin比是用Pin的高度(不含底座厚度)除以Fin,Pin-Fin比越大意味著散熱器的有效散熱面積越大,代表鋁擠壓技術越先進。

純銅散熱器

銅的熱傳導系數是鋁的1.69倍,所以在其他條件相同的前提下,純銅散熱器能夠更快地將熱量從熱源中帶走。不過銅的質地是個問題,很多標榜“純銅散熱器”其實并非是真正的100%的銅。在銅的列表中,含銅量超過99%的被稱為無酸素銅,下一個檔次的銅為含銅量為85%以下的丹銅。目前市場上大多數的純銅散熱器的含銅量都在介于兩者之間。而一些劣質純銅散熱器的含銅量甚至連85%都不到,雖然成本很低,但其熱傳導能力大大降低,影響了散熱性。此外,銅也有明顯的缺點,成本高,加工難,散熱器質量太大都阻礙了全銅散熱片的應用。紅銅的硬度不如鋁合金AL6063,某些機械加工(如剖溝等)性能不如鋁;銅的熔點比鋁高很多,不利于擠壓成形(Extrusion)等等問題。

銅鋁結合技術

在考慮了銅和鋁這兩種材質各自的缺點后,目前市場部分高端散熱器往往采用銅鋁結合制造工藝,這些散熱片通常都采用銅金屬底座,而散熱鰭片則采用鋁合金,當然,除了銅底,也有散熱片使用銅柱等方法,也是相同的原理。憑借較高的導熱系數,銅制底面可以快速吸收CPU釋放的熱量;鋁制鰭片可以借助復雜的工藝手段制成最有利于散熱的形狀,并提供較大的儲熱空間并快速釋放,這在各方面找到了的一個均衡點。

 


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