解决系统级LED热管理难题

yap · 发表于 2009-5-16 17:55:44

热管理对于LED的性能和使用寿命至关重要，所以机械设计师在研发初期就要考虑LED的散热问题.
美国能源部（DOE）对LED做出了如下评价：没有其它照明技术可以具有像LED这样大的节能潜力和提升我们建筑环境品质。由于LED的使用寿命是结温的函数，所以热管理对于LED的性能至关重要。位于California San Jose的Philips Lumileds Lighting应用技术经理Rudi Hechfellner说：“到目前为止热管理是LED系统设计最重要的一个方面。LED系统生产商通过寻求优化的散热器、高效印制电路板、高热导率外壳和其它先进热设计技术来应对这一挑战。由于热仿真可以在物理模型建立之前，从散热的角度评估不同设计方案和优化系统级设计，所以热仿真的作用日益凸现。”
LED照明的出现
固态发光是一项新兴的技术，其会在将来从根本上改变照明的形式。LED设计之初的功率小于50毫瓦。在过去十年间，LED的功率已经上升为40～80lm/Watt。除了能效高之外，LED的使用寿命也长。根据不同的制造和类型，白色LED的使用寿命可以处于6000～50000小时范围内，高于30000小时的荧光（灯）管和2000小时的白炽灯泡。此外，LED可以不使用过滤器就产生单色光。
市场分析公司Yole Developpement说：LED在固态发光市场的收入将由2007年的10亿美元上升到2012年的103亿美元。Yole预计在2012年高亮度和超高亮度结合的LED收入将达到44.5亿美元，这是2007年7亿8千万的5.5倍。这些固态发光装置已经成为不同应用场合的灯源选择，这些应用场合包括交通信号灯、汽车和卡车的内部和外部灯、屏幕可见显示器、小型LCD背后照明和装饰照明。最新的Isuppli报告（参考1）显示，在一些新的场合也陆续的采用了LED。
散热挑战
与其它的灯源相比，高功率的LED产生了严重的散热问题，这主要是因为LED不通过红外辐射进行散热。根据美国能源部门研究显示，用于驱动LED的功耗75％～85％最终转换为热能。并且必须通过导热的方式将热量由LED芯片导入下部印制电路板、散热器、外壳或者光源结构元件等。美国能源部能效和再生能源部门得出了一个名为 “Thermal Management of White LEDs”（参考2）的报告。简而言之，过多的热量会减少LED的光输出和产生偏色。此外，热管理的优劣还会产生一些长期的影响，诸如光输出的减少会导致使用寿命的缩短。美国能源部门表示：制造商通常在25℃的固定结温下对LED进行测试。然而，在通常情况下结点的温度为60℃或更高，在这些情况下LED灯的输出可能只有额定的10％或更少。
对于钨灯泡而言，散热途径是通过热辐射的方式，热量直接由灯丝进入到周围环境中。LED装置的主要散热途径是由芯片到系统外壳的导热。LED装置的制造商提供了封装级的热管理。对于制造商而言，最为关注的是如何减小芯片到外部封装的热阻。通常一些小型安装在平板上的LED灯有许多引线，这些引线形成了主要的导热路径，并且对于这些LED而言，其芯片到引线的热阻至关重要。
图1.高功率LED封装草图
封装设计依据制造商和LED类型变化，但封装的理念却很相似。在这个例子中，LED芯片通常利用粘结层（bond layer）被贴赋到一个金属连接层（metal interconnect layer），而这个金属连接层又被贴赋到一个陶瓷基座 (Ceramic Substrate)和一个电绝缘导热垫（Thermal Pad）。整个封装设计的目的是最大化光学输出和从LED芯片背部去除热量。
Hechfellner说：即便是最高效的LED装置也要求为其设计冷却系统。由于传统的灯源是通过辐射方式进行散热，所以他们不会产生此类散热问题。许多LED制造商在电和结构方面有着比热方面更多的经验。工程师们需要改变他们的理念，并且应该先考虑散热后考虑电。对于LED系统制造商而言，现今设计中面对的挑战90％是由散热所引起，而电和结构所引起的问题仅仅占到10％。
Hechfellner补充说：系统级制造商所面对的最大问题是研发一种散热效率高的灯座，LED装置可以方便的插入这一灯座，而热量可以迅速的导入至环境中。就我所知，当前市场上还没有这种系统。改善导热截面材料和设计工具是进行研发这类系统所必须的。我们致力于创造一个良好的研发平台，诸如可以帮助精确模拟LED的仿真工具，从而便于我们的客户进行更好的热设计。
封装的本质是即便LED的效率增加，但散热的问题依旧存在。由于光输出随着温度升高而减小，更大比例的电功率转化为热会进一步的提升LED的温度。随着时间的推移LED的光输出会减少，而它的热量又会加速LED的老化。一个常用的白色LED光通量衰减指标是磷光体泛黄，这可能是由于受热引起或者是环境诱发，但这并不意味着芯片低效率工作或有更多的热量产生。热管理的方案需要满足在LED整个使用周期里都能去除热量的要求。
系统级设计考虑
每一种LED的设计考虑都是不同的，并且需要清楚的了解LED所受的尺寸限制和性能。LED系统设计的本质是有效的将热量从LED散热片，金属块或引脚传递到周围环境中。在金属块和印制电路板垫片间必须进行可靠和有效的连接。通常的热量通过PCB上的热过孔到达