1.LED导热散热过程


大功率LED → 锡膏 → 金属基板 → 导热硅子 → 散热器 → 风扇,完成一个导热散热过程,哪一环节导热散热处理不好,都会影响到LED使用(见下图1)。


图1 导热散热过程图


2.大功率LED发热影响


随着LED向小型化和大功率方向发展,这种趋势导致在有限体积内产生更多的热量,若散热不及时,过多积聚的热量将导致大功率LED工作温度升高,影响大功率LED的正常工作,严重时甚至会使大功率LED失效。大功率LED的发光效率为15%-25%之间,其中75%-85%转变为热量, LED结温升高,其发光效率下降、使用寿命缩短(见下表2)。可见温度是影响大功率LED可靠性最重要的因素之一,这就需要在技术上采取措施限制大功率LED的温度升高。



3.导热金属基板在大功率LED应用


3.1超高导热铝、铜基板


超高导热铝、铜基板是通过超高导热绝缘层来将LED热量导到铝或铜基板上,导热系数分别是:2-12W/mk,因超高导热绝缘层是由树脂+氮化铝或氧化铝或氮化硼和其它填料配合组合而成,例:其中氮化硼导热系数是:200W/mk,但是氮化硼添加量不能超过40%,添加量超过40%时过高温会出现基板分层不良,使得超高导热铝、铜基板导热只有2-12W/mk,只能应用到中功率LED中做导热第一承载体使用。


图3 铝、铜基板结构图


3.2 热电分离铝基板


热电分离铝基板导热系数达到:200 W/mk,属于金属直接导热,热电分离铝基板制作是使用线路板蚀刻+层积叠压方式完成,线路层仍能保持电绝缘性,可以应该用到大功率LED中做导热第一承载体使用。



图4 热电分离铝基板结构图


3.3 热电分离铜基板


热电分离铜基板导热系数达到:400 W/mk,属于金属直接导热,热电分离铝基板制作是使用线路板蚀刻+层积叠压方式完成,线路层仍能保持电绝缘性,可以应该用到大功率LED中做导热第一承载体使用。


图5 热电分离铜基板结构图


4.大功率LED焊接应用


大功率LED传递热量通过锡传递到金属基板上,金属基板做好了,焊接没有做好,同样存在导热不及时情况,目前LED焊接有普通回流焊和真空回流焊2种,普通回流焊是没有抽真空装制,真空回流焊是有抽真空装制,焊接中熔融焊料会残留气体,当融化的焊料凝固时,这些气泡被冻结下来形成空洞现象。真空回流焊增加了抽真空装制后,焊接中熔融时可以将残留气体抽出,焊接后不会形成大面积空洞,反观普通回流焊是没有抽真空装制,焊接中熔融时残留的气体没有抽出,焊接后会形成大面积空洞。有空洞的影响会导致导热面积减小,就好比水管放水时,如果水管堵住20%,水的流速就会减小20%,同样原因,当焊接面有20%的空洞,热量流速也会减小20%。大功率LED本身发热量大,导热面积再减小就会影响到LED散热。


我们有拿大功率LED做普通回流焊和真空回流焊Tj温度比对测试过,普通回流焊LED会比真空回流焊Tj温度高10℃,对超大功率LED Tj温度会更加明显。可以确定真空回流焊对LED导热有大的帮助,汽车前大灯都是需要使用真空回流焊进行焊接,真空回流焊焊接后品质稳定,空洞率可以做到1%以内。


图6 普通回流焊和真空回流焊Tj温度比对测试图


5.LED导热界面材料


金属基板与散热器结合无法完全贴合中间有间隙,导热界面材料主要是填充金属基板与散热器表面之间的空隙,从而在发热部件和相连散热片之间建立有效的导热路径,因此大大提高了热传递效率,空隙越小越好,相应的导热材料越薄,热阻越小,导热更快,根据LED功率不同进行验证选择界面导热材料,导热填缝材料具有固体和液体两种形状。


图7 间隙图


5.1 液体导热材料


液体导热材料主要是:导热硅脂,是一种由硅树脂和高导热性无机或金属纳米材料组成的复合材料。导热硅脂黏度更低,适合点胶或丝网印刷,形成较薄的导热层,使之具有较高的导热性能,导热硅脂导热系数是:2-8W/m.k。


5.2固体导热材料


固体导热材料主要是:导热垫,也是一种由硅树脂和高导热性无机或金属纳米材料组成的复合材料。导热垫简单易用,低渗油性不会污染部件。导热系数是:2-8W/m.k,厚度由0.05-5mm,空隙越小使用的厚度可以越薄,热阻相应的越小,热传递更快。


6.散热器


散热器分别是:冲压、挤型、锻造、铜铝结合、热管模组、水冷板等工艺散热器。低功率LED选用冲压、挤型散热器,大功率LED选择锻造、铜铝结合、热管模组、水冷板散热器。



7.风扇


由于被动散热器受制于有限的换热能力,单位时间内能带走的热量很有限,使得用来冷却大功LED模组的散热器不得不做昨很大很重。而主动散热可以克服这些缺点,通过强制对流换热的高效散热能力快速带走热量,降低LED芯片的温度,并且同时减小了散热器的体积及重量,则会选择风冷进行主动散热。


结束语


当今,全球经济和科学技术飞速发展,LED领域也有着重大进展。随着LED功率越来越大,散热问题成为影响其使用的重要限制因素。更好的解决大功率LED散热问题,先要将大功率LED热量导出开始,只有先设计合理的导热结构,如真空回流焊、热电分离铜基板、基板与散热器空隙越小将热量先快速导到散热器上,到设计好合理散热器,再考虑被散热还是主动散热才能合理的将大功率LED热导出来。


本文由东莞市康纳电子科技有限公司刘岳峰投稿。

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