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LED照明中存在的发热问题及影响

文章作者:照明工业 上传时间:2019-11-03

汉鼎LED照明:由于高功率LED技术的发展,使得LED灯具厂家面临到热管理和散热设的严苛挑战,因为温度升高不但会造成亮度下降,当温度超过摄氏100度时更会加速灯具本体及封装材料的劣化。因此,除了LED封装组件本身的散热技术外,LED灯具的散热及导热设计更是维持灯具寿命的最大关键。开发一款具有高效散热性能的LED灯具一是市场所需要的产品。

LED以其体积小、耗电量低、环保、坚固耐用以及光源颜色丰富等特点,备受广大用户的青睐。但是,目前LED照明的发展面临的瓶颈之一就是散热,本文将通过分析照明过程中的发热问题对LED的影响,来引出散热技术在LED照明中的重要性,并且就目前以及将来的散热技术做概括和分析。 一、LED照明中存在的发热问题以及影响 1.LED照明存在的发热问题 在使用LED照明过程中,与使用传统照明方式一样,需要将电能转换为光能。然而在这两种方式中,没有一种能够完全地将电能转换成光能,而且只能将少数部分的电能转换成光能,其余大部分电能在LED发光、照明的过程中转化成了热能。尤其是对于大功率的LED器件及照明灯具来说,随着功率的不断增大,LED内部芯片的温度也会逐渐上升,而且LED内部芯片以及其它器件的性能会随着温度上升而下降,甚至失效。终导致LED器件无法工作。从根本上讲,结温的上升降低了PN结发光复合的几率。表现在光源上就是发光亮度下降,产生了饱和现象。因此发热问题是LED发展过程中亟待解决的问题。 2.发热问题对LED的影响 在上面发热问题中提到,发热问题不仅会影响到LED器件的寿命,还能够影响到发光亮度。经验证明,LED尤其是大功率LED的寿命主要依赖于芯片的结温,温度越高。可靠性越低,工作寿命越短。因此不仅需要从LED材料、制作方式、封装结构以及发光原理等方面综合设计LED器件,更重要的是解决目前存在LED器件以及灯具中的散热问题,选择合适的封装结构、合理的散热方式,并应用到LED照明中。 二、LED照明散热技术现状 针对LED器件以及灯具在电能转化为光能方面的局限性,提出了散热技术这一概念。散热旨在解决在LED照明过程中,除去电能转化成的那一部分光能,由电能转化成的热量对LED内部芯片产生的影响(使得芯片性能下降、老化甚至失效)。 1.影响LED散热的主要因素 影响散热的主要因素有材料属性、封装结构、封装材料、芯片尺寸、芯片材料、芯片上电流密度等。一般情况下,LED照明器件以及灯具是由芯片、电路基板、外部散热器以及驱动器四部分构成。因此目前存在两种散热设计方案:一是减少LED器件由电能转化成热能,实现过程需要通过提高LED内部器件的内量子效率,从而提高LED的出光效率,进而从内部解决LED在照明过程中产生的散热问题;二面是从外部设计考虑出发,通过改变LED器件以及灯具的封装材料或者封装方式,以达到减小封装热阻的目的,有时还需要配置合适的散热器来解决高结温问题,进而实现延长LED器件的使用寿命。 2.目前存在的散热方式 由于在技术方面的局限性,目前多采用改变LED照明器件的外部设计或者使用散热器的方法来解决散热问题。LED照明器件的散热方式目前有很多种,可以分为封装级散热方式和灯具级散热方式。封装级散热方式,顾名思义,它是通过优化LED内部封装结构以及材料来达到减小封装热阻的效果,主要分为封装结构方面的硅基板倒装芯片结构、金属线路板结构等和材料方面的基于基板材料和粘帖材料的择优选取原则。 而灯具级散热方式主要是指热量从封装基板到外部散热器的传递过程中实施散热的方式,主要分为被动散热和主动散热,主动散热是指通过系统以外的能量驱动,将LED内部芯片以及本身器件的热量散发出去,主要包括加装风扇强制散热、液冷散热、半导体制冷散热、离子风散热和合成射流散热等;而被动散热是指仅通过散热器本身,将在LED照明过程中产生的热量分散出去,达到降低结温的效果,主要有直接自然对流散热和热管(平板热管、环路热管和翅片式热管)技术散热两种。 3.几种散热方式举例 材料的择优选取原则:在采用这种散热方式的前提就是封装结构已经确定,可以根据已经确定好的封装结构选择合适的封装材料来提高系统导热性能,进而减少LED照明器件的封装热阻,终达到系统散热的效果。封装材料可以大致地分为基板材料、粘贴材料和封装材料三种。 就基板材料而言,LED照明器件中涉及到的散热技术要求基板材料具有高电绝缘性、高稳定性、高导热性以及芯片匹配的热膨胀系数。常用的基板材料主要有硅、金属、陶瓷和复合材料。 液冷散热:液冷散热方式是一种利用液体在泵的强制带动下流经散热器表面的方式,耗散热量的散热技术。美国厂商Etemaleds曾推出一种水冷式LED灯EtemaledsHydraLux一。它采用液冷散热方式,不仅省去了用于冷却灯泡内部的散热管、散热片及风扇等,而且没有在灯泡的上半部分包覆散热材料,它的光放射角扩大到了360度。 由上面的介绍可知,液冷散热方式是一种主动散热方式,然而液冷散热方式在制作过程复杂且难于实现,价格高,不适用于高温、震动等恶劣环境;而且在液冷散热方式在LED照明器件应用中,要求密封高的液体循环致冷装置,如果在生产过程中稍有不当,就会造成LED器件的损毁。 三、LED照明散热技术的进展 随着目前LED照明技术的日渐成熟,LED照明应用的普及,现有的散热技术不仅是基于封装结构和材料,而且还有基于能量传递过程。就封装材料中的基板材料在近几年中有了新的发展,新趋势指向了对于硅基氮化镓(GaNonSilicon)的研发。在与蓝宝石基板相比之下,硅基氮化镓有以下特点:能够减少热膨胀差异系数,能够强化LED发光强度,制造成本低、散热效果显著。因此硅基氮化镓受到了LED生产商的青睐。 结语 与传统的照明技术相比,LED并没有完全取代传统的光源,这是由于在LED照明技术方面仍存在着许多关键性问题,主要的瓶颈之一就是散热问题。虽然现有的散热方式有很多,但是还存在局限性,如实现困难,成本高、导热性能差、环境要求高以及技术不成熟等。因此在LED照明散热技术方面还有待深人研究和发展,以便为LED相关技术的成熟发展和LED的广泛应用奠定基础。

单颗LED白灯在老化板上检测出来的数据,与把LED白灯组装成一个灯具老化时检测出来的数据,肯定是有点出入的。这个差异的大小,取决于LED工作时的电性参数和灯具的设计情况,以及灯具使用的环境。

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首先,选择什么样的LED灯珠

这点很重要,LED灯珠的质量可以说是很重要的因素。举些例子,同样的以晶元14mil白光段芯片为代表,用普通环氧树脂做的底胶与白光胶与封装胶水封装出来的LED灯珠,单颗点亮在30度的环境下,一千小时后,衰减数据为光衰70%;如果用D类低衰胶水封装,在同样的老化环境下,千小时光衰为45%; 如果C类低衰胶水封装,在同样的老化环境下,千小时光衰为12%;如果B类低衰胶水封装,在同样的老化环境下,千小时光衰为-3%;如果A类低衰胶水,在同样的老化环境下,千小时光衰为-6%.

为何不同的封装工艺会导致如何大的差异呢?

最主要的一个原因在于LED芯片怕热。偶尔短时间内受热超过一百多度,那是不要紧的,怕就怕在长期处于高温之下,就是对LED芯片的一种莫大的损害。

一般来说,普通环氧树脂的导热系数很小,因此,当LED芯片点亮工作的时候,LED芯片要发射出热量,而普通环氧树脂导热能力有限,所以,当你从LED 光源的外部测量出LED支架的温度有45度的时候,LED白灯内的芯片中心温度有可能超过了80度。LED的温度节点其实就是80度,那么,当LED芯片在节温的温度中工作的时候,是非常的受煎熬的,这就加快了LED光源的老化。

当LED芯片在工作的时候,中心温度产生了100度的高温,它可以马上通过支架引脚98%把热量导出来,从而减少热量对它的伤害。所以,LED灯珠支架温度是60度的时候,它的芯片中心温度可能就只是61度而已。

从上面的数据可以看出来,选择什么样封装工艺的LED灯珠,直接决定LED灯具的光衰情况。

其次,LED光源工作环境温度

根据单颗LED光源老化时的数据来看,LED光源如果只有一个点亮工作,同时,它所处的环境温度是30度的话,那么,单颗LED光源工作时的支架温度不会超过45度。这个时候,这颗LED的寿命会很理想。

如果有100颗LED光源同时点亮工作,它们之间的间隔只是11.4mm的情况下,那么,灯堆的周边的LED光源的支架温度也可能不会超过45度,但灯堆中间的那些LED光源有可能达到65度的高温。这个时候,对LED光源就是一个考验。那么,聚在中间的那些LED光源,理论上光衰就会快一点,而灯堆周边的LED光源,光衰就会慢一点。

但如果LED灯珠相隔25mm以上,那么,它们互相发散的热量就不会那么积聚了,这个时候,每个LED灯珠支架的温度应该会少于50度以下,就比较利于LED的正常工作。

如果LED工作的环境是在比较冷的地方,整年的平均温度可能只是15度左右,或更小,那对于LED来说,寿命就更长了。

或者,LED工作的时候,旁边有个小风扇在吹着,帮它驱散热气,这样子对LED的寿命也是挺有帮助的。

反正大家应该要知道,LED是怕热的,温度越高,LED寿命越短,温度越低,LED寿命越长。LED理想的工作温度当然是在负5到零度之间。但这基本上是不可能的。

所以,我们了解到LED灯珠理想的工作参数后,就尽可能的在设计灯具的时候,加强导热,散热的功能。反正温度越低,LED寿命越长。

再次,LED灯珠的工作电性参数设计

根据实验结果,LED白灯在驱动电流越低的情况下,发射的热量越小,当然了,亮度也就越小了。据调查,LED太阳能灯饰电路的设计,LED的驱动电流一般只是5-10mA;灯具所用的灯珠数目具大的产品,如达到500个以上的,或更多的,驱动电流一般只是10-15mA,而一般大众化的LED应用灯饰的驱动电流,只是15-18mA,绝少有人把电流设计到20mA以上的。

而实验结果也表明,在14mA的驱动电流下,并且,加了盖子不透风,里面的空气温度达到71度的环境下,低衰产品,千小时光衰为零,2000小时光衰为3%,这就说明这种低衰LED白灯在这样的环境下使用已达到了它的最大限度,再大就是对它的一种损害了。

因为老化用的老化板没有散热功能,所以,LED工作时产生的热量基本上是没法传导到外面去的。实验上证明了这一点。老化板里面的空气温度已达到了101度的高温,老化板上的盖子表面温度只不过是53度,相差了几十度。这就说明,设计的这种塑料盖子基本上不具有导热散热功能。但一般的灯具设计中,都考虑到导热散热的功能。因此,总结来说,LED灯珠的工作电性参数的设计要根据实际情况,如果灯具的导热散热功能很好,LED白灯的驱动电流加大一点是没关系的,因为LED灯珠工作产生的热量瞬间能导出到外面,对LED没有损害,就是对LED最好的呵护了。相反的,如果灯具的导热散热功能马马虎虎,最好把电路设计得小一点,让它少放些热量出来。

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