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关于大功率LED工作原理和散热技术分析

金鉴实验室 2023-04-14 10:21 次阅读

【摘要】大功率LED应用非常广泛,其能耗小,照明强度高,当大规模芯片整合后,提高了LED的散热能量,若芯片发出的热量得不到及时处理将会影响LED阵列使用寿命,本文通过分析LED阵列工作原理,讨论大功率LED散热的常用技术,讨论散热技术关键参数

【关键词】大功率 LED 散热技术

LED是发光二极管的简称,它是基于半导体管芯的发光材料,伴随着半导体材料研究技术的日益成熟,规模化发光二极管被广泛应用。LED发光二级管能耗小,照明强度大,使用寿命长,可根据特定需求设计出不同规格尺寸,已被广泛应用于室内装修,车辆,道路和城市照明领域。在实际工作中,LED 的功率是无法达到100%的,将近有80%的输入功率要转换为热损耗,随着大规模、矩阵型的LED灯的使用,能耗也会变得越来越 大,如果不能及时的处理散热问题,将会导致热量集中在二极管的 PN结,就会降低LED灯的使用寿命,严重时甚至会烧毁LED。

1、大功率LED的工作原理分析

1、LED结构

PN结是发光二极管(LED)的核心,主要是半导体材料构成的, 主要是GaAs(砷化稼)、GaP(磷化稼)、GaAsP(磷砷化稼)等半导体作为PN结的主要材料,在一般情况下,LED的主要PN结是一个以 5mm 常规半径构成,在PN结的边缘利用0.23mm的正方形管芯将PN 结粘接或者烧结在带引线的二极管支架上,将引线作为二极管的阴极,球形触点的金丝键作为二极管的内引线,然后在它们连接到另一支架上,将多个二极管连接在一起就形成了大规模的LED矩阵。LED发光二极管的工作原理是将电能转化为光能的过程,当二极管的PN结两端加上正向偏压时,二极管的PN电位发生变化,此时,P区正离子电荷开始流向N结,N结负离子电荷同时流向P结,P结和N结开始产生电势差。在电光转换过程中,PN结的两端负载正向偏压时会使P结和N结的区域产生非电荷平衡,从而使P结和N结组成的体系,所生成的载流子具有不稳定性,PN结内非平衡空穴需要和导带上的电子进行复合才能产生电流,同时所生成的过剩载流子容量也将以光的方式辐射出去。

2、大功率LED阵列的热效应及影响

目前由于大型LED矩阵所产生的热如果不及时散热将会影响LED矩阵的正常工作,通常LED矩阵发光效率所利用的能量仅能达到20%左右,其中80%是以热形式散发,若LED光通能量符合标准普通照明光通量应在1000流明以上,我们常用的LED照明光源LED(1mmX1mm)功率通常在1瓦左右,且生成热流密度可达106 W/mz或更高,此时需要能及时传导所生成热流,不然会累积于LED芯片内,进而造成芯片结温增加,最后烧坏芯片。这是LED芯片设置必须要解决的问题,当多个芯片封装在一起时,在增加光通量的同时,也产生的更多的热量散热问题。电流持续通过PN结, 在LED光通量增加的同时,还会导致PN结的温度升高,进而就会影响LED的PN结内部的电子浓度,同时也会影响PN结的空穴浓度,禁带宽度等参数,如果长时间的不能散热,就需导致PN结的正向偏压、发光效率、主波长等受到影响,这样就会影响LED的使用寿命,也会影响LED的正常工作。当LED结温的升高时,就会改变PN结之间的载流子的流动,这样会严重破坏PN结的正向偏压, 导致LED不能够正常工作。如果PN结温度持续升高,它的工作环境就会发生变化,这时,PN结两边的热平衡电子浓度就会发生变化,导致大量的少子产生,从而就会很快的激发PN结载流子的浓 度比杂质比就和增加,这时就会导致PN结的欧姆接触电阻的电阻率下降,就会将杂质半导体变成了本征半导体,造成PN结的功能消失,进而会影响PN结的正常工作。

2、大功率LED散热技术处理

大功率LED阵列技术芯片密度较高,LED光电转化效率仅为20%,其他转化成热能尤其是LED芯片密度越来越高,则使LED操作温度升高,从而降低LED等使用寿命;LED操作温度从63°C升至74°C后。LED的平均寿命会降低四分之三,如果要提高LED的发光效率,就需要对LED的散热进行处理,降低LED的PN结的结温。

1、风冷散热技术

空冷散热一般主要采用的是空气对流散热的技术,它主要分为自然对流散热和强迫对流散热技术两种方式,空冷散热技术主要利用空气流动来散热,本实用新型以空气为冷却剂增加LED器件四周空气流动,则可实现功率型LED设备散热,且风冷散热技术结构简单,并且该LED器件还具有结构相对简单、便于封装处理、构造简单、装置成本相对低廉、其工作非常可靠、并且风冷散热技术相对成熟等特点,但其散热效率较低,通常只适用于小功率LED散热系统。在自然对流散热技术的运用中,采用散热器可以增加LED器件的散热面积,改善LED器件的散热性能,也能够 降低LED基板器件的相关系数,而影响LED散热性能的因素有多种 情况,例如散热器基板的导热系数、器件的对流换热系数等。散热器的散热面积直接影响着LED的散热情况,而散热器的形状对LED 的散热效率影响十分巨大。随着LED芯片功率越来越大,对芯片散热要求越来越高,而利用自然对流无法达到散热要求,必须利用小风扇提高LED器件散热区域内空气对流速率,然后提高散热器散热系数,具体设计时,为抑制风扇发出的噪声,需把风扇设计得相对较小,甚至融入到LED系统,让其技能实现散热,还能降低风扇噪音。

2、水冷散热技术

LED水冷散热系统是大功率LED设备中常用的散热技术之一, 它的散热介质主要是以去离子水为主,充分利用水的循环流动进行散热。水冷散热技术系统主要由水泵、基板、导水管等部件构成, 它采用水在导水管中的流动,达到对LED器件进行散热的目的。本实用新型通过散热管也增大了LED散热面积,LED芯片工作过程中的热量被转移到基板上,水泵的主要作用就是对散热器进行水循环供电,本实用新型确保离子水可以循环流动,并由LED芯片把产生的热转移到LED基板器件上,进而由基板把热点转移到水中,最后由导水管利用水流把热带走,从而实现特定散热。采用水冷散热系统可以快速的降低LED芯片带来 的热量,与风冷散热相比,虽然水泵在运行的过程中还会产生一定的噪声,但水冷散热能够快速的散热,具有安静、对环境依赖比较小等优点,在一些中小型的LED设备中得到了广泛的应用。

3、热管散热技术


热管散热技术也较为普遍地应用于LED器件的散热,其主要采用传统的热相变增强导热器件换热,通常热管散热技术包括管壳,吸液芯及端盖几个部分。在LED的热管设计中,热管的一端设计为蒸发段(加热段),便于吸收LED器件散发的热量,另一端设计为冷凝段(冷却段),其作用是将传导的热降温,高功率LED阵列通常主要通过导热胶将其与蒸发段管壁粘接在一起,从而确保能高效地为LED散热,热管工作过程中,管体内冷却液被蒸发段吸热蒸发,则可将LED器件发出的热带走,当蒸汽从蒸汽腔流入冷凝段,在放出热量同时,也受到冷却段的冷凝,然后被冷却液体,达到对LED降温的目的,经过冷却的液体在LED器件的毛细结构丝网产生的毛细力作用下,然后再回流到蒸发段,这样通过热管冷之间的液体、气体之间的循环,达到对LED器件进行降温的目的,采用热管冷却技术的缺点是设备的制作工艺复杂比较复杂,体积极大,而且设备的成本比较高,系统整体稳定性不高。

4、热电散热技术


热电散热技术利用LED阵列通电发光后所产生的热能经导热材料进行传导,并通过冷凝设备进行吸热,主要利用热与电的调控来实现散热,其原理就是基于热电效应。在没有外磁场的情况下,热电散热技术包括导热设备和焦耳热损失的影响原理,使用热电散热技术的主要好处在于其散热密度较高,散热结果更加紧凑且能紧密结合IC工艺,系统结构集成效果更佳。与其他传统散热方式相比,采用热电散热器能够快速的降低LED器件温度,能够快速的使得LED系统的温度降低到36%以上,而且这种技术还可以进行突破,通过选择冷效率高的热导材料,并通过优化热电传导设备结构进行散热,典型的热电散热技术结构如图2所示。

5、热声散热技术

热声制冷技术主要采用热声效应来实现LED器件散热的目的, 热声效应的工作原理是将LED工作时产生的热量加入到声波密集区域,在设备的声波稀疏时将LED系统产生的热量排出,然后声波的能量就会加强。由于声波在空气中进行传播时,就会产生压力波动或者位移的波动,通过声波产生的压力波动达到散热的目的。声波在传播过程中,会受散热器温度变化而产生起伏。若当气体压力,位移和温度变化为时,则与散热器边界接触从而能迅速传递热能,使声波和热能相互转化,然后实现散热,利用声波进行散热具有制冷零件少,且使用成本低,散热结构相对简单等优点。

3、LED散热技术指标分析

1、PN结结温

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PN结结温主要由PN通电时出现问题引起,通常指代LED芯片结温还指代高功率LED芯片主动区域结温。PN结运行过程中,电极间电压的存在将引起P接和N结温差,而影响PN结结温度的主要因素是:

(1)LED元器件不良的电极结构。LED的PN结合材料直接影响着LED的导电情况与PN结的结温,主要包括PN结的区域材料、 导电银胶以及视窗层衬底等部分都具有一定的电阻值,如果将这些电阻串联在一起,在电流经过时,就会在PN通电时产生大量的热能,如果不能及时将这些热能排出,进而能够导致PN结或者芯片的温度提升。

(2)LED元器件工作时的光电效应。当PN结开始工作时,P 区流向N区得电荷只有20%的转换成光能,剩余的转换为热能,才能热能就是十分巨大的,而且N区域向P区产生电荷移动时的能量全部转变成热能,这也会影响PN结的结温,如果PN结的光电效能较差的话,就会导致PN结的结温增加。

(3)LED内部器件热散失能力影响PN结的结温。由于多数LED器件内部通常由透明环氧树脂材料制成,其导热率较低,因此PN结区域所产生热能仅有小部分由内部器件释放,并且绝大部分热量都散发在该透明环氧树脂材料原料上,对LED用PCB基板和热沉以及其他散热器方向散热,这将造成LED散热效率提高和PN结结温增加。

(4)PN结的制作工艺。目前,在LED的制作工艺都采用了先进的技术水平,几乎能够将全面的电能转化为热能,但是如果LED 的PN周围的介质对光的折射系数过大,就会将反射回芯片内,从而也会导致PN结的结温过高。

2、LED热阻对散热指标的影响

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LED热阻又是描述LED热性能的重要参数,若LED设备热阻较低,则表示系统散热性能良好,同时也表示LED散热通道较为顺畅,内部散热设计得越好,使LED所产生热量越易散去,系统散热性能也越好,在系统散热良好的情况下,使LED芯片的结温越易降低,可以提高LED寿命。一般地,LED的发热中心主要是芯片的有源区,在设计的时候,如果将LED的芯片尺寸设计 的相对面积比较大,而且还比较薄,这时,可以假定LED散热是沿着芯片的截面方向垂直传递,对LED的热阻进行分析,从PN结向外部热沉,这样LED的热扩散方式就是向外进行扩散。在LED热阻分析中,热阻可分为内热阻与外热阻2种表现形式,内热阻为LED芯片所固有,属LED芯片内在性质,它关系到LED芯片的制造材料、形状和生产工艺,对LED芯片散热性能有着举足轻重的影响。外热阻即LED芯片外壳体,外热沉,它直接关系到LED外材料,外热阻和外壳体封装材料有关、形式与外接热沉导热率有直接关系,外接热阻较大,造成LED芯片整体散热率降低。

4、结束语

LED在现实生活中应用十分广泛,为了提高LED的使用效率,需要对LED的散热效果进行有效的设计,大功率LED阵列的工作寿命与LED的散热性能有着直接的关系,一般来说,LED运行时,电能仅有20%转化为光能,其余仅转化为热能,由此可见LED运行时在特定的运行过程中会产生很多热能,这就需要在LED系统设计中, 加强对LED的散热性能进行设计,有效的控制LED的散热方式,通过采用各种散热技术方法来提升LED的散热效果。在具体的设计中,需要根据LED的使用方法以及LED阵列功率的大小,采用不同的散热技术与散热效果较好的材料,在对PN结的结温进行控制的同时,还要能够有效的降低散热器的热阻,提高散热器的散热效果。

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