(27-28)大功率LED的散热问题及其解决方案

LED散热问题的解决方案LED（Light Emitting Diode）是一种半导体发光器件，由于其高效、节能、寿命长等优点，被广泛应用于照明、显示等领域。

然而，由于LED自身发光时会产生热量，如果不能有效散热，会影响其性能和寿命。

因此，解决LED散热问题至关重要。

本文将介绍LED散热问题的原因以及相应的解决方案。

一、LED散热问题的原因LED散热问题的主要原因是LED自身结构和工作原理导致的热量产生。

LED 是通过电流通过半导体材料时产生的电子与空穴复合释放出能量而发光的，而这个过程中会产生大量的热量。

虽然LED本身的发光效率较高，但仍然会有一部份电能转化为热能。

此外，LED的工作温度对其性能和寿命也有很大影响。

当LED工作温度超过一定范围时，其光效会下降，甚至浮现光衰现象，严重时甚至会导致LED的热失效。

二、1. 散热材料的选择选择合适的散热材料是解决LED散热问题的关键。

常见的散热材料包括铝基板、铜基板、陶瓷基板等。

这些材料具有良好的导热性能，可以将LED产生的热量迅速传导到散热器上，提高散热效果。

2. 散热器的设计和布局合理的散热器设计和布局可以增加散热面积和散热效果。

散热器的设计应考虑散热器的材质、结构和表面积等因素。

增加散热器的散热面积可以提高散热效果，同时还可以考虑使用风扇或者风道等辅助散热设备，增加空气流通，加速热量的传递和散发。

3. 热导材料的应用在LED和散热器之间使用热导材料，可以提高热量的传导效率。

常见的热导材料有硅脂、硅胶等，它们具有良好的导热性能，可以填充在LED和散热器之间，减少热阻，提高散热效果。

4. 温度控制和监测合理的温度控制和监测可以有效预防和解决LED散热问题。

可以使用温度传感器对LED的工作温度进行实时监测，当温度超过一定范围时，可以通过控制电流或者降低环境温度等方式进行散热控制。

5. 散热系统的优化除了上述措施外，还可以通过优化整个散热系统来解决LED散热问题。

高功率LED开发之CFD模拟散热解决方案高功率、高亮度发光二极管(LED)由于具有良好的色彩饱和度、长效寿命，目前正逐渐切入众多照明应用，不过要如何避免LED过热，却是散热设计工程师必须面对的重大考验，因此在设计过程中，计算流体动力分析(Computational Fluid Dynamic, CFD)模型的重要性也愈益突显。

本文中将比较采用星形金属核心印刷电路板(MCPCB)的高功率LED，包装在搭配与未使用散热片情况下的实验结果，在进行比较讨论后，将提供一个应用在搭配散热片LED包装上的温度模型建立技术，由此看来，采用CFD模型所取得的结果相当可行，同时也展现出此项技术可应用在LED系统层级的评估上，文章中并将讨论在LED包装上采用散热接口材料(Thermal Interface Material, TIM)所带来的效应。

预估LED散热简化产品设计能够预先推估LED的散热效能表现，对协助设计工程师有效缩短采用LED产品的上市时间已是不容忽略的事实，不过，当热能流动与封装密度越来越高时，LED封装模块的散热设计就变得更加困难，同时模块的设计与热能分析也更为重要，因此CFD的仿真已成为电子产品设计初期热能分析普遍使用的方法，CFD主要包含有流体流动、热传导以及热幅射等相关程序的数值仿真分析。

本篇文章提出建立一个带有散热片高功率LED星形封装的步骤，首先针对采用星形基体的LED封装建立详细的模型，接着在LED星形封装的底部加上散热片，最后再将仿真结果与实验数据进行比较。

文章的另一个重点则在于TIM对LED封装带来的影响，主要目的是用来找出不同接口厚度(Bond Line Thickness, BLT)散热接口材料的特性，以及材料中空隙的百分比。

依温度模型建立技术采用星形基体的LED封装使用Flomeric出品的CFD工具Flotherm来建立模型。

模型描述为首要工作首先建立详细的模型，以便找出与实际测量结果间的误差百分比，LED封装的详细尺寸参数以及包装材料的热传导能力参考表1。

有着较 为 明显 的优 势 。 因此 文 中也采 用 Ｃ Ｏ Ｂ结 构制 作 大功率 Ｌ Ｅ Ｄ照 明模 块 ， 所 采 用 的封 装 基 板 为 直 接 覆 铜 板（ Ｄ Ｂ Ｃ—Ｄ ｉ ｒ ｅ ｃ ｔ Ｂ ｏ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ Ｃ ｏ ｐ ｐ ｅ ｒ ） 。由于 铜 和 陶瓷 之 间
直接将 Ｌ Ｅ Ｄ芯片键合 至基板表 面 ， 即Ｃ Ｏ Ｂ （ ｃ ｈ ｉ ｐ ｏ ｎ ｂ ｏ ａ ｒ ｄ ） 封装结构 ， 可 以显 著 减 小 照 明模 块 中的 界 面
热阻 ， 是 近 年来 大功 率 Ｌ Ｅ Ｄ散热 技术 的一 个发 展趋 势 。 Ｋ ｗ ａ ｎ等 人 使 用 Ｌ Ｔ Ｃ Ｃ作 为基 板材 料 ， 对 比了 Ｃ Ｏ Ｂ封
大功率 Ｌ Ｅ Ｄ因其节能 、 环保 、 高可靠性和寿命长等
优势 ， 成为 近年来 研究 的热 点 和 市场 的趋 势 。 目前 ， 半 导 体照 明 已经广 泛应 用 在各 行 各业 ， 像 普通 室 内照 明 、
目前广泛应用的大功率 Ｌ Ｅ Ｄ光源常采用集成式封 装， 即将发光模块和灯体设计为一个直接或间接的整体 ， 并使用水冷、 微喷结构 以及多级热电制冷的方式进行 散热 。这对灯具 的维修 、 保养 、 升级都带来 了一定 困 难， 且不具有 通用性 。模 块化 设计 是 解决 这 一 问题 的有
流密 度非 常 大 。 此 外 ， 由于 应 用 场 合 对 光 通 量 的 更 高
安装和维护成本 ， 并对其散 热结构进行优化设计 。采
用 钎焊 工 艺 降低 了接 触 界 面 热 阻 ， 通 过 有 限元 模 拟 和
试验证实了改进后的散热结构既有更高的散热性能。
１ 大功 率 Ｌ Ｅ Ｄ照 明模块 设计
效 途径 。文 中设 计 了 可 随 意 组 合 的 照 明模 块 ， 降低 了

方案+实例：解决LED热管理时散热器选择方案方案+实例：解决LED热管理时散热器选择方案2013年01月15日[责任编辑：sherryyu]分享到：00分【导读】固态照明解决方案的需求与日俱增使得对更好的热管理技术的要求也迅猛增长。

在一个给定的系统中，当机械散热要求减少时，热折返的使用可保护LED免受灾难性故障的损害。

LED技术的优势在于使用寿命长，可靠性高和性能优于其他照明技术，而这些优势的实现需要热控制技术的支持，所以要确保这项技术得以顺利发展而不会受到意外情况的阻碍。

除了标准的机械方案外，还有监测热行为的电气技术及为了稳定系统热量的调节控制。

当高亮度LED的前向电流增加而封装尺寸减小，热逸散及灾难性故障的潜在也随之增加。

在众多LED应用中，由于极端的高温环境，需要更高级别的保护。

热折返是减少LED故障及避免因为过热而导致LED寿命缩短的常用方法。

这种控制方法使用一个与温度成反比的信号，在设置温度断点后降低LED的电流。

该方法可以通过多种方式实现。

以下介绍两个例子：一个100W路灯应用和一个12W的军用手电筒应用。

这两个实例介绍了较为复杂的系统与较为简单的系统间的区别及各自的设计流程。

方案背景在使用大功率LED的传统照明应用中，需要大的散热器来排出LED所释放的热量。

LED自身不散热，相反，它们通过半导体结点来传导热量。

此传导功率(PD)等于前向电压(VF)和前向电流(IF)的乘积。

PD=VF×IF为了保持一个安全的LED结点温度，必须消除这个传导功率。

需要对系统中的热阻抗进行分析，才能在额定功率下定制一个散热器以确保期望的热特性。

一个典型的大功率LED将通过其器件、锡焊连接点、印刷电路板和散热器来消耗大部分功率。

如图1所示。

使用这个简单的模型，计算就相当简单。

LED结点的功率耗散(PD)，必须通过结点-环境的总热阻(θJA)分配，这一点与电流通过电气电阻时极其相像。

由此产生的结点温度(TJ)和环境温度(TA)之间的温度差(TJ-TA)等于一个电气电压(欧姆定律的热当量)：TJ-TA=PD×θJAθJA指下列各值的总和。