浅析LED灯具的散热设计

LED灯具的设计较传统灯具复杂,包含光学、机械、电子及散热等,其中散热尤其重要。因为目前大功率LED灯具的转换率仅有20%会转换成光,其余80%会转换为热,如果不能将热量导出灯具之外,将无法达到LED光源宣称的50,000小时寿命,同时热量会影响LED的发光效率,导致严重光衰及灯具毁损的惨况。本文从LED芯片、LED芯片基板、芯片封装、线路设计、系统电路板、散热鳍片到灯具外壳等环节对散热设计进行了详细分析,并指出了存在的问题。呼吁LED灯具设计人员必须高度重视LED灯具的散热设计,科学合理地做好LED灯具的散热设计。     

大功率LED照明装置微热管散热方案分析

设计了一种新型的带有百叶窗的平板式大功率发光二极管(LED)照明装置。该装置采用高导热系数的铝基板作为多颗大功率LED的散热电路板,用0.4mm的铝片作为散热翅片,结合沟槽式微热管构成集发光与散热一体化的输入功率为21W的照明模组,该模组可根据照明亮度要求重构成不同功率的照明装置。对功率为144W的照明装置进行了理论分析与实验研究。根据理论计算,每个照明模组的发热量约为18W,每个照明模组的传热量约为47W;模拟结果表明,在环境温度为30℃,自然对流换热系数为10W/(m2·K)时,LED芯片最高结温Ta=75℃,而实验测得Ta=75.7℃。     

两种热电分离式MCPCB导热性能的对比研究

利用SMT工艺将两种功率不同的LED分别与设计完全相同的热电分离式铜基板及铝基板组装成模组,然后借助结温测试系统及积分球系统对两种金属基板的散热性能进行了对比研究。结果表明,热电分离式铜基板较之热电分离式铝基板仅具备微弱的散热优势,这种优势随着LED的功率增加有所扩大。当LED功率为9 W时,铜基板及铝基板所对应的LED模组热阻分别是3.16℃/W、3.26℃/W;当LED功率为15 W时,铜基板及铝基板所对应的LED模组热阻分别是2.33℃/W、2.46℃/W。     

基于LED照明灯具的散热片设计与分析

新一代大功率白光LED光源具有很多优点,如节能、环保、寿命长等,但大功率LED的散热也是一个至关重要的问题。如果LED散热问题解决不好,LED灯具工作一段时间后就会输出光功率减小,芯片加速老化,工作寿命缩短。文章从LED散热问题着手,详细介绍了目前广泛商用的大功率LED器件结构及导热途径、所用散热基片的特点,以及LED所用的散热片设计和计算方法。另外介绍了一种大功率LED在散热片上不同位置温度变化的测试结果,并推导出用于计算LED器件散热的有效公式。     

大功率倒装单片集成LED芯片的自隔离散热技术

提出采用 自隔离散热技术解决大功率倒装单片集成LED芯片散热与绝缘之间的矛盾问题.基于自隔离散热技术原理,利用微纳加工技术,通过在AlN陶瓷基板上生长隔离金属岛制备自隔离散热基板.采用多胞串并联网络结构设计大功率倒装单片集成LED芯片,芯片尺寸为1.5 mmx4.5 mm.在200 mA的驱动电流下,大功率倒装单片集成LED芯片的正向电压为8.3 V,反向漏电流小于100 nA.当输入电流为2 A时,大功率倒装单片集成LED芯片的输入功率为20W,其最大光输出功率为8.3 W,插墙效率为42.08％,峰值热阻约为1.23 K/W,平均热阻约为1.17 K/W.     

一种高功率LED射灯的散热设计与实验研究

以一款MR16 LED射灯为模型,采用ANSYS有限元软件进行热分析。以散热器翅片保持60℃为标准,通过实验与仿真相结合的方法,分析了LED射灯的热流功率、散热器基座厚度、LED芯片间距、对流面积对整个系统散热性能的影响。结果表明,散热器对流面积是影响灯具散热性能的最重要因素;对一定的散热器,存在一个有效的最大芯片输入功率。现有MR16 LED射灯的散热器最大散热功率只能达到2.5 W左右,要使散热功率增大并且发挥散热器最佳性能,必须增加散热器的对流面积。对该结构散热器散热性能的定量研究对今后高功率LED灯具的生产具有一定的指导意义。     

大功率LED散热用微通道铝基板的有限元仿真

对带微通道的铝基板上封装的不同功率LED,用Comsol Multiphysics软件对其温度场进行了有限元模拟,重点研究了微通道的孔大小、孔间距、绝缘层的厚度和热导率对基板散热性能的影响,结果表明:铝基板厚度为1.5mm左右,微通道方形孔,孔长0.8mm,孔间距0.8mm,绝缘层厚度50μm,热导率1.5 W/(m·K),为最佳散热性能铝基板.微通道铝基板封装3W灯珠与普通铝基板和氮化铝基板相比,热阻分别下降了5.44和3.21℃/W,表明微通道铝基板能更好地满足大功率LED散热的需求.     

两种热电分离式基板导热性能的对比研究

基于热电分离式设计理念，开发出FR4/Cu与FR4/AlN两种高导热散热基板，并利用SMT工艺将13Ｗ的Osram S2W型LED灯珠分别与上述两种散热基板焊接后组装成LED模组，利用半导体制冷温控台恒定散热基板底部温度后，使用结温测试仪对LED的结温进行了测试，同时借助直流电源和积分球分别对LED的总功率和光功率进行了测量后得到了模组的热功率值。最后根据LED结温测试结果与热功率值计算得出了模组的热阻值，并在此基础上对两种基板的散热性能进行了对比研究。结果表明，FR4/AlN基板的散热性能较之FR4/Cu基板稍逊，当使用FR4/Cu基板散热时，LED的结温和热阻分别是49.72 ℃ 、2.21℃ /Ｗ，当使用FR4/AlN基板散热时LED的结温和热阻分别是51.32 ℃、2.32℃/Ｗ。     

一种新的LED灯具散热技术

散热一直是困扰LED灯具发展的难题,文章揭示一种新的散热技术：在铝基板上钻孔裸露出铝板并镀上金属层,使LED直接焊接在铝基板的铝板上,极大增强了LED灯具的散热能力,提高了LED灯具的寿命。     

LED灯的液态金属冷却方法试验研究

提出LED灯的液体金属散热新方法,并研制出基于电磁泵(EP)驱动的散热系统原型。实验结果表明:在LED灯的输入功率达到25.7 W时,液态金属散热系统可将其基座温度维持在33.1℃,从而确保LED芯片安全运行。评估了EP输入功率、肋片及风扇对液态金属散热系统散热效果的影响。     

大功率LED用微喷射流冷却系统的实验研究

将封闭微喷射流冷却系统应用于发光二极管(LED)散热,实验研究了该系统对高功率LED的散热冷却效果.实验过程中,通过测试LED芯片组中各点的温度,研究了该冷却系统的效果.实验测试表明:在环境温度为25.6℃,LED芯片组输入电功率为2.45 W时,如果不采取散热措施,LED芯片在开始工作1 min后其温度迅速上升到72℃,而当本冷却系统开始工作后,其温度快速下降到34.81℃.当LED芯片输入电功率为9.3 W时,其热流密度为14.53 W/cm2,该冷却系统依然能迅速地把LED芯片温度降到54.34℃.     

照明用大功率LED射灯散热建模研究

散热问题是LED灯具成为新一代照明光源亟待解决的关键问题之一。提出一种LED灯具散热建模方法:选用LED射灯作为代表产品进行散热建模研究,采用三维造型软件建立LED灯具产品三维模型,然后导入有限元流体热分析软件(CFD)进行热仿真。研究散热仿真过程中的热阻设置、热量载荷计算和边界条件设定等关键问题,并求解LED射灯的工作温度分布情况;将仿真分析结果与实验室测试数据进行对比分析研究。研究结果表明,运用该方法可以对室内照明LED灯具进行较为准确的散热分析,仿真温度误差在4℃左右,仿真结果对灯具开发设计具有重要参考价值。     

基于flow simulation的大功率LED热分析与热设计

LED被认为是21世纪的照明光源,LED结温的高低会直接影响到器件寿命,因此散热是制约LED发展的关键问题。课题首先参照几款现有灯具,对LED灯具进行散热分析,得到LED灯具的散热模型;其次借助热分析软件flow simulation,对LED灯具进行散热结构设计;最后对灯具设计方案进行优化设计。最终研究影响LED灯具散热性能的因素,并设计出一款散热性能良好的翅片型散热结构的洗墙灯,其结温温度不超过60℃。     

热电分离式铜基板的制备及其在LED散热领域的应用

借鉴热电分离式设计理念,利用图形转移和蚀刻技术将铜合金板材加工成带有导热柱的底座,然后通过压合工艺将金属底座与FR4复合制备成热电分离式金属基板。利用冷热冲击试验箱对基板进行了热冲击试验,并借助SEM对历经1 000个高低温突变冷热循环后的铜基材与FR4界面形貌进行了观察与研究。利用结温测试仪、功率计、积分球系统、半导体制冷温控台等仪器和设备,通过结温及热阻测试对比研究了普通铜基板与热电分离式铜基板在铜基、绝缘层及线路层厚度相同的情况下,对大功率LED模组散热效果的影响。结果表明,基板在经低温-55℃、高温125℃、1 000次冷热循环后,铜基材与FR4界面处既无裂纹萌生,也无气泡产生,FR4与铜基材结合完好。对于驱动功率为13W的LED灯珠,在模组辐射功率与热功率大致相同的情况下,热电分离式铜基板与普通铜基板所对应的芯片结温分别为49.72和73.14℃,所对应模组的热阻则分别为2.21和4.37℃/W,这意味着热电分离式铜基板较之普通铜基板在大功率LED散热管理方面更具优势。     

远程荧光LED球泡灯热仿真分析

采用FloEFD流体分析软件分析了改变LED散热器翅片数和基板厚度对LED球泡灯热量的影响。首先对LED芯片进行仿真,然后用蓝宝石替换LED芯片其他部分简化后仿真,将两者进行了对比。接着对远程荧光LED集成封装光源进行了热模拟,发现将大功率芯片集成在铝基板上,工作时产生的热量非常大,模拟时芯片的结温在159.9℃,超过了LED正常工作结温,所以仅仅依靠铝基板难以达到散热要求。最后对LED球泡灯散热器不同翅片数和不同基板厚度分别进行了热仿真,得出当翅片数为16,基板厚度为2mm时,LED球泡灯的整体散热良好,模拟结果显示LED芯片的温度只有83.8℃,完全满足散热要求。     

基于平板热管的大功率LED散热系统模拟及优化

为解决大功率LED的散热问题,设计了平板热管散热器来实现LED芯片的高效散热。通过Flotherm模拟软件,对大功率LED在自然对流条件下的散热情况进行了三维数值模拟。通过平板热管与常规铜、铝散热基板对比,发现平板热管有效降低了大功率功率LED的结温和热阻,使得LED温度分布更为均匀。此外,还研究了平板热管LED散热系统在不同芯片功率下的热性能,并对四种不同排布方式的LED平板热管散热系统进行了优化,发现阵列分布其温度分布最为均匀,结温最低,是较优的排布方式。     

阳极氧化铝基板封装LED的结温与热阻的研究

采用阳极氧化法制备了氧化铝薄膜铝基板,并将3种功率(1W、3W、5W)的3种颜色(红、蓝、绿)的9种LED分别封装在所制备的铝基板和深圳光恒光电公司的铝基板上,利用正向压降法测试了其结温和热阻,发现:在LED颜色和功率相同的情况下,自制阳极氧化铝基板封装的LED的结温比封装在光恒铝基板上的低2.8～19.4℃,热阻低1.8～9.0K/W,表明自制铝基板的散热性能更优。     

大功率氮化镓基白光LED模组的散热设计

散热设计是大功率发光二极管(LED)模组结构设计的重要环节.首先利用计算流体力学方法对自然对流条件下大功率LED模组的温度场进行了模拟,提出并优化了模组可采用的散热片结构,进而对影响模组散热的其他关键因素进行了分析,结果表明,提高关键封装材料如银胶的热导率能够有效地降低芯片温度,提高芯片温度均匀性;多芯片封装时芯片的整体温度及均匀性相对于单芯片封装皆有改善.优化后的封装结构在5 W电功率注入条件下,芯片结温约60 ℃.     

基于IWC系统的功率型LED散热研究

针对功率型LED芯片现有散热方案的缺陷,设计了一种“针-网”式离子风散热（Ionic wind cooling,IWC）系统。并通过试验对不同曲率半径、分布密度的针电极结构以及不同电晕放电控制方式下IWC系统作用于功率型LED的散热性能进行了测试。采用红外热像仪测得了离子风对于发热体强化传热作用下的系统温度分布。结果表明：IWC系统的散热效果显著,针电极曲率半径为80 μm、针电极间距为7.5mm时,散热效果最佳;电晕功率为3W时,IWC系统能在较短时间内降低LED芯片引脚温度。     

大功率LED照明灯具的配光与散热的研究

本文通过对大功率LED照明灯具的配光与散热的研究,了解大功率LED照明灯具的使用寿命、光输出定向性、大功率LED灯珠的发光效率、散热系数等相关参数。对本公司现有的大功率LEDN明灯具产品的一次配光、二次配光、大功率LED灯珠散热进行了改进设计。大功率LED照明灯芯片加速老化、工作寿命减短等问题,因此散热是制约其发展的一个至关重要的因素。本文介绍了目前广泛运用的大功率LED灯散热技术、散热产品以及热分析工具,应用ANSYS软件针对一款大功率LED进行了热分析,求得各个部分的温度场分布,巴超出了结温的最大允许值。通过热分析,对该LED灯散热结构进行改进,将芯片最高温降为51．1226℃,仿真分析结果表明在允许范围之内,验证了改进方案的可行性。