散熱設計延長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

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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用方法至關重要。

LED行業(yè)是發(fā)展最快的技術行業(yè)之一。盡管LED應用于許多電子設備中已多年，但是近來更多的大功率LED應用于各種照明、汽車（圖1）、招牌和家用電器產(chǎn)品中，數(shù)量不菲。基于LED的照明非常可靠，但可靠性取決于組件周圍良好的散熱設計。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在適應性、壽命和效率方面優(yōu)于傳統(tǒng)照明形式。LED有更多的設計自由度，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仍然在半導體結處產(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的。然而，設計，如果超過結溫，特別是高于LED（120-150℃）的最高工作溫度，CE認證，則可能會發(fā)生不可恢復的影響，導致完全失效。

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；溫度越高，技術資訊，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)開辟進一步應用的機會。

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

導熱緩解

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熱材料，以確保實現(xiàn)所需的散熱效果。在材料領域，產(chǎn)品范圍從提供散熱和環(huán)境保護的導熱封裝樹脂到用于提高導熱效率的導熱接口材料。

導熱接口材料是設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。

導熱的另一個選擇是使用導熱封裝樹脂。這些產(chǎn)品設計用于提供對設備的保護，同時還讓設備內(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，并將熱能從設備傳導出去。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熱填料；然而，廠房照明，可以改變所使用的基礎樹脂、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，每個都應該考慮到最終的應用需求。

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用產(chǎn)生大量的具有定制性能的產(chǎn)品；因此，建議與相關材料供應商詳細討論應用。

應用屬性

不管選擇的散熱產(chǎn)品的類型如何，還有一些關鍵屬性也必須考慮。這些可以是相當簡單的參數(shù)，例如設備的操作溫度、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。 熱導率是一個主要的例子。熱導率單位為瓦/米·度(W/m·K)，代表材料的熱傳導能力。堆積導熱率值建立在大多數(shù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)表上，可以很好地反映預期的熱傳導水平，從而可以比較不同的材料。

但是，只依賴堆積導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 - 散熱管理材料的應用。 無論是封裝化合物還是界面材料，導熱介質(zhì)中的任何間隙都會導致散熱速率的降低。