浅谈LED的散热方案

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简介:本文主要研究LED的散热方案。

LED散热铝基板主要是利用其散热基板材料本身具有较佳的热传导性,将热源从LED晶粒导出。因此,我们从LED散热途径叙述中,可将LED散热基板细分两 大类别,分别为(1)LED晶粒基板与(2)系统电路板,此两种不同的散热基板分别乘载着LED晶粒与LED晶片将LED晶粒发光时所产生的热能,经由 LED晶粒散热基板至系统电路板,而后由大气环境吸收,以达到热散之效果,目前市场上福斯莱特品牌铝基板占据主流之地。

LED(Light EmittingDiode),发光二极管,是一种固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片,晶片的一端附在一个支架上,一端是负极,另一端连接电源的正极,使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成,一部分是P型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是N型半导体,在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候,它们之间就形成一个"P-N结".当电流通过导线作用于这个晶片的时候,电子就会被推向P区,在P区里电子跟空穴复合,然后就会以光子的形式发出能量,这就是LED发光的原理。

LED铝基板设计选择

LED线路设计为了更好的解决散热问题,LED和有些大功率IC需要用到铝基线路板。

铝基板pcb由电路层(铜箔层)、导热绝缘层和金属基层组成。电路层要求具有很大的载流能力,从而应使用较厚的铜箔,厚度一般35μm~280μm;导热绝缘层是PCB铝基板核心技术之所在,它一般是由特种陶瓷填充的特殊的聚合物构成,热阻小,粘弹性能优良,具有抗热老化的能力,能够承受机械及热应力。IMS-H01、IMS-H02和LED-0601等高性能PCB铝基板的导热绝缘层正是使用了此种技术,使其具有极为优良的导热性能和高强度的电气绝缘性能;金属基层是铝基板的支撑构件,要求具有高导热性,一般是铝板,也可使用铜板(,适合于钻孔、冲剪及切割等常规机械加工。工艺要求有:镀金、喷锡、osp抗氧化、沉金、无铅ROHS制程等。

基材:铝基板产品特点:绝缘层薄,热阻小;无磁性;散热好;机械强度高产品标准厚度:0.8、1.0、1.2、1.5、2.0、2.5、3.0mm铜箔厚度:1.8um35um70um105um140um特点:具有高散热性、电磁屏蔽性,机械强度高,加工性能优良。用途:LED专用功率混合IC(HIC)。

铝基板(金属基散热板(包含铝基板,铜基板,铁基板))是一种独特的金属基覆铜板(结构见下图),它具有良好的导热性、电气绝缘性能和机械加工性能。 福斯莱特铝基板图片(20张)电路层(即铜箔)通常经过蚀刻形成印刷电路,使组件的各个部件相互连接,一般情况下,电路层要求具有很大的载流能力,从而应使用较厚的铜箔,厚度一般35μm~280μm;导热绝缘层是铝基板核心技术之所在,它一般是由特种陶瓷填充的特殊的聚合物构成,热阻小,粘弹性能优良,具有抗热老化的能力,能够承受机械及热应力。该公司生产的高性能铝基板的导热绝缘层正是使用了此种技术,使其具有极为优良的导热性能和高强度的电气绝缘性能;金属基层是铝基板的支撑构件,要求具有高导热性,一般是铝板,也可使用铜板(其中铜板能够提供更好的导热性),适合于钻孔、冲剪及切割等常规机械加工。慢导热或散热国产一般材料即可。价格相差较大,贝格斯板材生产出成品大概需要4000多元平米,一般国产材料就1000多元平米。LED一般使用电压不是很高,选择1mil厚度绝缘层耐压大于2000V即可。

散热参考设计方法:

为什么要进行热设计?

高温对电子产品的影响:绝缘性能退化;元器件损坏;材料的热老化;低熔点焊缝开裂、焊点脱落。

温度对元器件的影响:一般而言,温度升高电阻阻值降低;高温会降低电容器的使用寿命;扼流圈绝缘材料的性能下降,一般变压器、扼流圈的允许温度要低于95C;温度过高还会造成焊点合金结构的变化-IMC增厚,焊点变脆,机械强度降低;结温的升高会使晶体管的电流放大倍数迅速增加,导致集电极电流增加,又使结温进一步升高,最终导致组件失效。

热设计的目的

控制产品内部所有电子元器件的温度,使其在所处的工作环境条件下不超过标准及规范所规定的最高温度。最高允许温度的计算应以元器件的应力分析为基础,并且与产品的可靠性要求以及分配给每一个元器件的失效率相一致。

浅谈LED的散热方案

LED散热设计一般按流体动力学软件仿真和做基础设计。

LED铝基板设计选择

LED线路设计为了更好的解决散热问题,LED和有些大功率IC需要用到铝基线路板。

铝基板pcb由电路层(铜箔层)、导热绝缘层和金属基层组成。电路层要求具有很大的载流能力,从而应使用较厚的铜箔,厚度一般35μm~280μm;导热绝缘层是PCB铝基板核心技术之所在,它一般是由特种陶瓷填充的特殊的聚合物构成,热阻小,粘弹性能优良,具有抗热老化的能力,能够承受机械及热应力。IMS-H01、IMS-H02和LED-0601等高性能PCB铝基板的导热绝缘层正是使用了此种技术,使其具有极为优良的导热性能和高强度的电气绝缘性能;金属基层是铝基板的支撑构件,也可使用铜板(其中铜板能够提供更好的导热性),适合于钻孔、冲剪及切割等常规机械加工。工艺要求有:镀金、喷锡、osp抗氧化、沉金、无铅ROHS制程等。

基材:铝基板产品特点:绝缘层薄,热阻小;无磁性;散热好;机械强度高产品标准厚度:0.8、1.0、1.2、1.5、2.0、2.5、3.0mm铜箔厚度:1.8um35um70um105um140um特点:具有高散热性、电磁屏蔽性,机械强度高,加工性能优良。用途:LED专用功率混合IC(HIC)。

铝基板是承载LED及器件热传导,散热主要还是靠面积,集中导热可以选择高导热系数的板材,比如美国贝格斯板材;慢导热或散热国产一般材料即可。价格相差较大,一般国产材料就1000多元平米。LED一般使用电压不是很高,选择1mil厚度绝缘层耐压大于2000V即可。

流体流动的阻力:由于流体的粘性和固体边界的影响,使流体在流动过程中受到阻力,这个阻力称为流动阻力,可分为沿程阻力和局部阻力两种。

沿程阻力:在边界沿程不变的区域,流体沿全部流程的摩檫阻力。

局部阻力:在边界急剧变化的区域,如断面突然扩大或突然缩小、弯头等局部位置,是流体的流体状态发生急剧变化而产生的流动阻力。

通常LED是采用散热器自然散热,散热器的设计分为三步:

1:根据相关约束条件设计处轮廓图。

2:根据散热器的相关设计准则对散热器齿厚、齿的形状、齿间距、基板厚度进行优化。

3:进行校核计算。

散热器的设计方法

自然冷却散热器的设计方法

散热器是用来传导、释放热量的一系列装置的统称。目前散热器主要有采暖散热器、计算机散热器,其中采散热器又可根据材质和工作模式分为若干种,计算机散热器可根据用途和安装方法分为若干种。影响齿表面的对流,建议自然冷却的散热器齿间距大于12mm,如果散热器齿高低于10mm,可按齿间距≥1.2倍齿高来确定散热器的齿间距。

自然冷却散热器表面的换热能力较弱,在散热齿表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响,所以建议散热齿表面不加波纹齿。

自然对流的散热器表面一般采用发黑处理,以增大散热表面的辐射系数,强化辐射换热。

由于自然对流达到热平衡的时间较长,所以自然对流散热器的基板及齿厚应足够,以抗击瞬时热负荷的冲击,建议大于5mm以上。

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