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大功率LED强化散热技术进展
日期:2018.10
引言:LED是发光二极管简称的缩写,是一种以半导体管芯为基础的发光材料。随着半导体材料研究的技术的不断成熟,大规模的发光二极管得到了广泛的应用。LED发光二极管的能耗低,照明强度高,寿命长,能够根据具体的需要设计不同的尺寸大小,已经广泛应用在室内装修,汽车,道路,城市照明等。在实际工作中,LED的有效工作功率是无法达到100%的,其中将近80%的能量会转化为热能。随着大规模矩阵型的LED灯的使用,能耗也会变的越来越大,如果不能及时处理散热问题,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.大功率的LED灯的散热要求:
具有较强的导热和均热性能: 散热器件的总体热阻是由LED灯具有所有的接触面逐层累计得到的,LED吸热面中的热传导阻抗是总体热阻中不可忽略的一部分。其与LED灯具之间的热阻抗越小,则越容易快速地吸收LED产生的热能,同时将这部分热能高效的地传达至翅片上。
总体上具有较小的热阻力: 为有效提升导热器件或散热器件的吸热能力。应将导热器件或散热器件尽可能的与LED模块紧密结合,甚至达到零空隙。但现实中导热器件或散热器件的散热面与LED模块之间总存在很小的空隙。因此,应选择使用较小的热阻抗,较强适应性的材料来填充空隙,这种材料就是我们常用的导热膏,其能有效的减少接触热阻,从而减少整体热阻抗,提高散热效率。
热量发散迅速: 加工时,将散热器件的吸热面与散热翅片加工成一个整体,从而将吸收到的热能迅速传送至翅片部分发散出去。此外,散热翅片的间隙应与空气流动方向一致,以防空气气流遇障碍形成漩涡造成热气滞留。
2.大功率的LED强化散热技术进展:
2.1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将空气作为冷却剂,加大LED器件周围的空气流动,进而能够对功率型LED的器件进行散热处理,风冷散热技术的结构简单,而且LED器件结构也比较简单,易于封装处理,结构简单,设备的成本比较低,它的运行十分可靠,而且风冷散热技术比较成熟,但是它的散热效率比较低,一般情况下只能用于小功率的LED散热系统中。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IED的散热效率影响十分巨大。随着LED芯片功率的不断增大,芯片的散热也就越来越多,采用自然对流的方式是不能满足散热要求,这就需要运用小风扇来增加LED器件散热面积的空气对流速率,进而增加散热器的散热技术,在具体的设计中,为了抑制风扇产生的果音,需要将封扇设计的比较微小,甚至将其集成在LED系统中,使之能达到散热的效果,也能够减少风扇的噪音。
2.2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。利用散热管还可以增加LED的散热面积,在工作时将LED芯片产生的热量传递给基板,泵主要功能是为散热器提供水循环动力。保证去离子水能够循环流动、LED芯片将产生的热量传递给LED基板器件,基板再将热点传通给水,然后导水管通过水的流动带走热量,达到具体的散热效果。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音,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.
2.3热管散热技术
热管散热技术在LED器件散热中也比较常见,它主要是利用热相变来强化导热器件进行换热的传统散热技术,一般的热管散热技术主要由管壳、吸液芯和端盖等几部分构成。在LED的热管设计上,将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,将另一端设计为冷凝段(冷却段),功能是对传导过来的热量进行冷却,大功率的LED数组一般主要采用导热胶黏结在蒸发段管壁上,以保证能够有效的对LED进行散热,在热管运行时,管内的冷却液在蒸发段内吸收热量而蒸发,进而能够带走LED器件散发出的热量,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负责,体积极大,设备的成本比较高,系统整体稳定性不高。
2.4热电散热技术
热电散热技术是通过将LED数组在通电发光产生的热能通过导热材料将其传递出来,经过冷凝设备吸收热量,主要采用热电之间的控制达到散热的目的,它的工作原理是以热电效应为基础。在无外磁场存在时,热电散热技术主要包括导热设备、焦耳热损失等效应的原理,采用热电散热的主要优点是它的散热密度比较大,散热的结果比较紧,并能够与IC工艺紧密的结合在一起,系统结构的集成效果较好。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。
2.5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。声波的传播还会受到散热器的温度变化波动。如果在气体的压力、位移以及温度发生变化是,就会与散热器的边界发生接触,这样就可以快速的将热能传递出,实现声波与热能的转换,进而达到散热的目的,采用声波散热技术的优点是制冷的部件较少,而且使用的成本也比较低,散热结构比较简单等。
结论:散热技术作为提高LED灯功率的和性能的关键技术,目前受到广泛关注。LED的散热技术有很多,覆盖了LED的封装层面及周边设施。目前对于高功率密度的LED器件,搭配主动散热方式,较为理想的散热技术还有奈米碳散热图曾以及碳奈米管导热接口材料,其中液冷具有最好的散热效果,适用于超高功率密度的LED器件。为了提高散热效果,可以将现有的散热技术结合使用,例如使用液冷辅助热管散热,再改进LED的基板和热接口材料,同时增加奈米碳散热涂层增加热辐射性能,这样可以达到很好的散热效果。未来,LED器件一定是向大功率和小型化的方向发展,研究更好的散热技术或更好的结合各种散热技术将是一条必经之路。
参考文献
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