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    LED散熱設計中散熱方式和材質大揭秘

    作者: 來源: 日期:2017-7-19 8:58:58 人氣:3731

    隨著LED材料及封裝技術的不斷演進,促使LED產品亮度不斷提高,LED的應用越來越廣,以LED作為顯示器的背光源,更是近來熱門的話題,主要是不同種類的LED背光源技術分別在色彩、亮度、壽命、耗電度及環保訴求等均比傳統冷陰極管(CCFL)更具優勢,因而吸引業者積極投入。

    最初的單芯片LED的功率不高,發熱量有限,熱的問題不大,因此其封裝方式相對簡單。但近年隨著LED材料技術的不斷突破,LED的封裝技術也隨之改變,從早期單芯片的炮彈型封裝逐漸發展成扁平化、大面積式的多芯片封裝模組;其工作電流由早期20mA左右的低功率LED,進展到目前的1/3至1A左右的高功率LED,單顆LED的輸入功率高達1W以上,甚至到3W、5W封裝方式更進化。

    由于高亮度高功率LED系統所衍生的熱問題將是影響產品功能優劣關鍵,要將LED組件的發熱量迅速排出至周遭環境,首先必須從封裝層級(L1& L2)的熱管理著手。目前業界的作法是將LED芯片以焊料或導熱膏接在一均熱片上,經由均熱片降低封裝模組的熱阻抗,這也是目前市面上最常見的LED封裝模組,主要來源有Lumileds、OSRAM、Cree 和Nicha等LED國際知名廠商。

    許多終端的應用產品,如迷你型投影機、車用及照明用燈源,在特定面積下所需的流明量需超過上千流明或上萬流明,單靠單芯片封裝模組顯然不足以應付,走向多芯片LED封裝,及芯片直接黏著基板已是未來發展趨勢。

    散熱問題是在LED開發用作照明物體的主要障礙,采用陶瓷或散熱管是一個有效防止過熱的方法,但散熱管理解決方案使材料的成本上升,高功率LED散熱管理設計的目的是有效地降低芯片散熱到最終產品之間的熱阻,R junction-to-case是其中一種采用材料的解決方案,提供低熱阻但高傳導性,通過芯片附著或熱金屬方法來使熱直接從芯片傳送到封裝外殼的外面。

    當然,LED的散熱組件與CPU散熱相似,都是由散熱片、熱管、風扇及熱界面材料所組成的氣冷模組為主,當然水冷也是熱對策之一。以當前最熱門的大尺寸LED TV背光模組而言,40英寸及46英寸的LED背光源輸入功率分別為470W及550W,以其中的80%轉成熱來看,所需的散熱量約在360W及440W左右。

    那么該如何將這些熱量帶走?目前業界有用水冷方式進行冷卻,但有高單價及可靠度等疑慮;也有用熱管配合散熱片及風扇來進行冷卻,比方說日本大廠SONY的 46吋LED背光源液晶電視,但風扇耗電及噪音等問題還是存在。因此,如何設計無風扇的散熱方式,可能會是決定未來誰能勝出的重要關鍵。

    下面就為大家介紹幾種散熱方式和散熱的材質。

    散熱方式

    一般說來,依照從散熱器帶走熱量的方式,可以將散熱器分為主動式散熱和被動式散熱。所謂的被動式散熱,是指通過散熱片將熱源LED光源熱量自然散發到空氣中,其散熱的效果與散熱片大小成正比,但因為是自然散發熱量,效果當然大打折扣,常常用在那些對空間沒有要求的設備中,或者用于為發熱量不大的部件散熱,如部分普及型主板在北橋上也采取被動式散熱,絕大多數采取主動式散熱式,主動式散熱就是通過風扇等散熱設備強迫性地將散熱片發出的熱量帶走,其特點是散熱效率高,而且設備體積小。

    主動式散熱,從散熱方式上細分,可以分為風冷散熱、液冷散熱、熱管散熱、半導體制冷、化學制冷等等。

    風冷風冷散熱是最常見的散熱方式,相比較而言,也是較廉價的方式。風冷散熱從實質上講就是使用風扇帶走散熱器所吸收的熱量。具有價格相對較低,安裝方便等優點。但對環境依賴比較高,例如氣溫升高以及超頻時其散熱性能就會大受影響。

    液冷

    液冷散熱是通過液體在泵的帶動下強制循環帶走散熱器的熱量,與風冷相比,具有安靜、降溫穩定、對環境依賴小等等優點。液冷的價格相對較高,而且安裝也相對麻煩一些。同時安裝時盡量按照說明書指導的方法安裝才能獲得最佳的散熱效果。出于成本及易用性的考慮,液冷散熱通常采用水做為導熱液體,因此液冷散熱器也常常被稱為水冷散熱器。

    熱管

    熱管屬于一種傳熱元件,它充分利用了熱傳導原理與致冷介質的快速熱傳遞性質,通過在全封閉真空管內的液體的蒸發與凝結來傳遞熱量,具有極高的導熱性、良好的等溫性、冷熱兩側的傳熱面積可任意改變、可遠距離傳熱、可控制溫度等一系列優點,并且由熱管組成的換熱器具有傳熱效率高、結構緊湊、流體阻損小等優點。其導熱能力已遠遠超過任何已知金屬的導熱能力。

    半導體制冷

    半導體制冷就是利用一種特制的半導體制冷片在通電時產生溫差來制冷,只要高溫端的熱量能有效的散發掉,則低溫端就不斷的被冷卻。在每個半導體顆粒上都產生溫差,一個制冷片由幾十個這樣的顆粒串聯而成,從而在制冷片的兩個表面形成一個溫差。利用這種溫差現象,配合風冷/水冷對高溫端進行降溫,能得到優秀的散熱效果。半導體制冷具有制冷溫度低、可靠性高等優點,冷面溫度可以達到零下10℃以下,但是成本太高,而且可能會因溫度過低導致造成短路,而且現在半導體制冷片的工藝也不成熟,不夠實用。

    化學制冷

    所謂化學制冷,就是使用一些超低溫化學物質,利用它們在融化的時候吸收大量的熱量來降低溫度。這方面以使用干冰和液氮較為常見。比如使用干冰可以將溫度降低到零下20℃以下,還有一些更“變態”的玩家利用液氮將CPU溫度降到零下100℃以下(理論上),當然由于價格昂貴和持續時間太短,這個方法多見于實驗室或極端的超頻愛好者。

    材質的選擇

    熱傳導系數 (單位: W/mK)

    銀 429

    銅 401

    金 317

    鋁 237

    鐵 80

    鉛 34.8

    1070 型鋁合金 226

    1050型鋁合金 209

    6063 型鋁合金 201

    6061型鋁合金 155

    一般說來,普通風冷散熱器自然要選擇金屬作為散熱器的材料。對所選用的材料,希望其同時具有高比熱和高熱傳導系數,從上可以看出,銀和銅是最好的導熱材料,其次是金和鋁。但是金、銀太過昂貴,所以,目前散熱片主要由鋁和銅制成。相比較而言,銅和鋁合金二者同時各有其優缺點:銅的導熱性好,但價格較貴,加工難度較高,重量過大,且銅制散熱器熱容量較小,而且容易氧化。另一方面純鋁太軟,不能直接使用,都是使用的鋁合金才能提供足夠的硬度,鋁合金的優點是價格低廉,重量輕,但導熱性比銅就要差很多。所以在散熱器的發展史上也出現了以下幾種材質的產品:

    純鋁散熱器

    純鋁散熱器是早期最為常見的散熱器,其制造工藝簡單,成本低,到目前為止,純鋁散熱器仍然占據著相當一部分市場。為增加其鰭片的散熱面積,純鋁散熱器最常用的加工手段是鋁擠壓技術,而評價一款純鋁散熱器的主要指標是散熱器底座的厚度和Pin-Fin 比。Pin是指散熱片的鰭片的高度,Fin 是指相鄰的兩枚鰭片之間的距離。Pin-Fin 比是用Pin 的高度(不含底座厚度)除以Fin,Pin-Fin 比越大意味著散熱器的有效散熱面積越大,代表鋁擠壓技術越先進。 純銅散熱器

    銅的熱傳導系數是鋁的1.69 倍,所以在其他條件相同的前提下,純銅散熱器能夠更快地將熱量從熱源中帶走。不過銅的質地是個問題,很多標榜“純銅散熱器”其實并非是真正的100%的銅。在銅的列表中,含銅量超過99%的被稱為無酸素銅,下一個檔次的銅為含銅量為85%以下的丹銅。目前市場上大多數的純銅散熱器的含銅量都在介于兩者之間。而一些劣質純銅散熱器的含銅量甚至連85%都不到,雖然成本很低,但其熱傳導能力大大降低,影響了散熱性。此外,銅也有明顯的缺點,成本高,加工難,散熱器質量太大都阻礙了全銅散熱片的應用。紅銅的硬度不如鋁合金AL6063,某些機械加工(如剖溝等)性能不如鋁;銅的熔點比鋁高很多,不利于擠壓成形( Extrusion )等等問題。

    銅鋁結合技術

    在考慮了銅和鋁這兩種材質各自的缺點后,目前市場部分高端散熱器往往采用銅鋁結合制造工藝,這些散熱片通常都采用銅金屬底座,而散熱鰭片則采用鋁合金,當然,除了銅底,也有散熱片使用銅柱等方法,也是相同的原理。憑借較高的導熱系數,銅制底面可以快速吸收CPU釋放的熱量;鋁制鰭片可以借助復雜的工藝手段制成最有利于散熱的形狀,并提供較大的儲熱空間并快速釋放,這在各方面找到了的一個均衡點。

       微重力技術

    大功率相變散熱器的研發主要包括瞬間高溫熱熔焊技術、低沸點傳熱媒介合成技術、高真空度形成技術、合理的熱設計技術。

    高熱密度合金板合成技術:傳統太陽花散熱器采用純鋁基板,由于鋁的熱流密度較小,對導熱有影響并且純鋁所攻絲牙無法緊鎖,?導致光源基板無法與散熱器長期緊配,產生散熱體脫離光源基板,失去散熱作用;?光學透鏡壓圈無法長期有效壓緊導致無法防水;?無法實現熱熔焊。高熱密度合金板能夠解決以上缺陷,在結構散熱技術方面是一個技術突破。

    瞬間高溫熱熔焊技術:借鑒德國的鋁焊技術,經過反復無數次大量實驗,利用金屬相對高速運動產生熔化熱,瞬間熔化金屬接觸面,再合適的時間參數下急停完成焊接。使無分子級泄露的導熱腔體的制造得以實現。該技術屬本公司獨創技術,傳統工藝無法完成。

    低沸點傳熱媒介合成技術:在實驗的基礎上合成了一種低沸點熱傳媒介,在真空狀態下使其沸點為16°C且導熱內腔無腐蝕,大大提高了相變媒介的傳熱速度,實現了瞬間導熱散熱,降低了溫升。比傳統散熱器降低溫升30°C左右。

    高真空度形成技術:散熱體內腔真空度會極大影響相變傳熱媒介傳熱效果,利用傳統抽真空的方式很難實現高度真空,經過長期試驗掌握了高真空度形成技術,真空度可達10-2.

    合理的熱設計技術:運用超級計算系統進行熱模擬計算,是導熱、散熱高度匹配,達到節省材料,降低成本,減輕重量的目的。

    結構創新:

    (A)采用整體真空密封和環繞散熱翅片的結構圖

     

    傳統散熱器                       相變自主研發散熱器

    (B)三層密封孔圖


    技術性能優勢對比;

    對比項目

    本公司相變技術

    銅管技術

    微槽群技術

    小熱管拼接技術

    燒結鋁技術

    密封性

    采用高溫熱熔焊接,無分子性泄漏

    采用螺絲密封,泄漏率90%

    采用氬弧焊接和釬焊,泄漏率50%

    采用熱管加翅片,泄漏率5%

    氬弧焊和釬焊,泄露率20%

    結構

    相變鋁

    熱柱

    微槽群

    小熱管拼接嵌

    燒結鋁

    熱流密度

    16000W/cm2

    400W/cm2

    400W/cm2

    280W/cm2

    500W/cm2

    溫升控制

    ≤30℃

    ≤35℃

    ≤38℃

    ≤35℃

    ≤35℃

    熱阻/接觸點

    同種材料

    二種材料

    一種材料

    二種材料

    同種材料

    加工工藝

    簡單

    復雜

    簡單

    復雜

    較復雜

    產品一致性

    產品一致性好

    均溫差

    均溫差

    均溫差

    良好

    結合方式

    熱熔焊

    鑲嵌

    膠粘

    鑲嵌

    氬弧焊

    性價比

    一般

    極低

    一般

     

    (7)相關技術參數;

     

    項目產品主要技術指標(少于200字)

    1、 溫度均勻性:散熱器在額定熱流密度下,底板到頂端溫差≤7℃;

    2、 熱阻≤0.14℃/W;

    3、 標準溫升:≤25℃;

    4、 溫度沖擊:-55℃~85℃ ;

    5、 振動頻率:0~200HZ;

    6、 功率譜密度:0.2g2/HZ;

    7、 氦質譜檢漏<2×10-8Pa。 L/S;

    8、 基板溫度≤60℃

    9、 環境溫度:-50℃~120℃;

    10、重量:3.8KG~6KG±5%;

     

     

     

         本項目產品屬于高效節能技術領域,是LED照明中的關鍵器件,可廣泛應用于LED工礦燈和均溫板系列投光燈、路燈、隧道燈上。由導熱效率高、散熱快、體積小,成本低、壽命長,能長期使用,適宜大面積推廣,必將對高效節能技術領域帶來革新的推進作用。



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