LED散热分析图文精.docx

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LED散热分析图文精

——LED封装用环氧树脂的导热

LED为什么要散热?

理论上LED总的电光转换效率约为54%（这是非常理想的情况下的估计结果,而制造工艺中的任何疏漏、材料上的任何缺陷均将造成其能量转换效率的下降，而基于目前LED技术发展的水平，见诸报导的最高的电光转换效率还不到理论值的一半，而实际应用中更多的是不足其理论值的1/4！

剩余的电能将以热能的形式释放，这就是LED产生热的原因。

•LED的热性能直接影响其：

•1、发光效率－温度上升，光效降低。

•2、主波长－温度上升，蓝光向短波长漂移，其它颜色向长波长的漂移（红移。

•3、相关色温（CCT－温度上升，白光的相关色温升高，其它颜色的相关色温降低。

•4、正向电压－温度上升，正向电压降低。

•5、反向电流－温度上升，反向电流增大。

•6、热应力－温度上升，热应力增大。

•7、器件的使用寿命－温度上升，器件的使用寿命减短。

•8、如果LED封装有荧光粉，环氧树脂等，温度的上升还将导致这些材料发生劣化。

假如以结温为25度时的发光为100%，那么结温上升至60度时，其发光量就只有90%；结温为100度时就下降到80%；140度就只有70%。

可见改善散热，控制结温是十分重要的事。

而且，结温不但影响长时间寿命，也还直接影响短时间的发光效率，例如Cree公司的XLamp7090XR-E的发光量和结温的关系如图2所示。

一、LED

为什么要散热

图1.光衰和结温的关系

LED的散热现在越来越为人们所重视，这是因为LED的光衰或其寿命是直接和其结温有关，散热不好结温就高，寿命就短，依照阿雷纽斯法则温度每降低10℃寿命会延长2倍

一、LED

为什么要散热

•除此以外LED的发热还会使得其光谱移动；色温升高；正向电流增大（恒压供电时）；反向电流也增大；热应力增高；荧光粉环氧树脂老化加速等等种种问题，所以说，LED的散热是LED灯具的设计中最为重要的一个问题。

一、LED为什么要散热

二、散热途径

热传导和对流需要借助介质进行，而热辐射则不需要（如真空中

热量传递基本方式：

热传导、热对流、热辐射。

热量传递基本方式：

热传导、热对流、热辐射。

热传导和对流需要借助介质进行，而热辐射则不需

要（如真空中

固体或静止流体中热传导

物体表面与移动流体之间热对流

物体表面之间的热辐射

三、散热技术分析

为了改善LED芯片本身的散热，其最主要的改进就是采用导热更好的衬底材料。

早期的LED只是采用Si硅作为衬底。

后来就改为蓝宝石作为衬底。

但是蓝宝石衬底的导热性能不是太好，（在100°C时约为25W/（m-K）），为了改善衬底的散热，Cree公司采用碳化硅硅衬底，它的导热性能（490W/（m-K））要比蓝宝石高将近20倍。

而且蓝宝石要使用银胶固晶，而银胶的导热也很差。

而碳化硅的唯一缺点是成本比较贵。

目前只有Cree公司生产以碳化硅为衬底的LED。

图3.蓝宝石和碳化硅衬底的LED结构图三、散热技术分析

采用碳化硅作为基底以后，的确可以大为改善其散热，但是其成本过高，而且有专利保护。

最近国内的厂商开始采用硅材料作为基底。

因为硅材料的基底不受专利的限制。

而且性能还优于蓝宝石。

唯一的问题是GaN的膨胀系数和硅相差太大而容易发生龟裂，解决的方法是在中间加一层氮化铝（AlN）作缓冲。

三、散热技术分析

前面讲的是LED芯片的散热，然而任何LED都会制成灯具，所以LED芯片所产生的热量最后总是通过灯具的外壳散到空气中去。

如果散热不好，因为LED芯片的热容量很小，一点点热量的积累就会使得芯片的结温迅速提高，如果长时期工作在高结温的状态，它的寿命就会很快缩短。

然而这些热量要能够真正引导出芯片到达外部空气，要经过很多途径。

具体来说，LED芯片所产生的热，从它的金属散热块出来，先经过焊料到铝基板的PCB，再通过导热胶才到铝散热器。

所以LED灯具的散热实际上包括导热和散热两个部分。

现在先来看一下每一个环节的导热性能。

在把LED连接到散热器之前，首先要把它们焊接到电路中去，因为首先要把这些LED连接成几串几并，同时还要把他们和恒流源在电路上连接起来。

最简单的办法是把它们直接焊接到普通印制板上去。

对于一些很小功率的LED，例如LED指示灯的确是可以这样做的。

但是对于大多数高亮度和高功率LED来说，普通玻璃纤维印制板的导热性能就显得太差了，而必须改成用铜基板或铝基板甚至陶瓷覆铜板。

各种基板的性能如下：

三、散热技术分析

目前几乎绝大多数的LED灯具中都采用了铝基板。

铝基板上电路的铜箔为了要导电和导热要有足够的厚度和宽度，其厚度在35µm-280µm之间。

其宽度最好尽可能布满整个基板，以便把热传下去。

三、散热技术分析

为基板的电路上，可以把热传递到铝板上，但是遗憾的是，这个铝板往往还不是最终的散热器，通常还要把这个铝板连接到真正的散热器上去。

最简单的方法就是用铆钉或螺钉的方法连接到散热器。

但是这种方法往往会形成空气隙，而很小的空气隙产生的热阻会比其他热阻大几十倍。

因为空气的导热系数为0.023W/m•k。

所以必须涂上导热胶来填充空隙。

一般的导热硅胶的导热系数大约在1-2W/m•k。

但是导热胶必须要流动性好，不然的话由于涂抹不均匀仍然会产生气隙，可能比不用还坏。

导热胶的另一个缺点是本身的粘性不足以把铝基板固定在铝散热器上。

所以另一种方法是采用有很强黏结性而又导热的双面胶片。

这种导热胶片是使用丙烯系列材料制造出来带有粘性的热传导片，它是属于有粘性和低热抵抗的散热材料。

而且具备热传导性和柔软性，可以紧贴零件上的凹凸部位，从而防止了气隙的存在。

导热硅胶片的导热系数通常在2-3W/m•k之间。

它的抗拉强度可达8kg/cm2。

足以黏结铝基板和铝散热器。

耐压可达4KV/mm。

•目前,用于生产LED封装树脂的AB混合胶大部分只能适用于小功率LED封装,对现有AB胶组分进行导热及透明改性,能满足大功率LED封装的要求。

•绝大多数高分子材料本身属于绝热性材料,要得到优良导热性的材料,

•第一种途径是制造具有高热导率的聚合物材料;•第二种途径是通过共混方法对高分子材料进行填充改性,形成复合材料,提高聚合物的导热性能。

•常用的导热性填料,通常包括金属粉末和无机填料。

•在金属填充的导热塑料中,常用的金属粉末有银、铜、锡、铝、铁等。

•在无机填料填充的导热塑料中,常用的无机填料为石墨、陶瓷、碳纤维、炭黑、Al2O3、AlN等[2]。

石墨的热导率最高,100℃时为209W（m·K-1,且与金属的热导率最为接近。

用石墨来改善高分子材料热导率的研究较多,但石墨不能用于LED封装用塑料的导热改性填料,因为它是非电绝缘性材料。

•善,是因为MgO填料易得,且导热性能好。

•绝缘型的导热填料主要包括:

金属氧化物如BeO,MgO,Al2O3,CaO,NiO;金属氮化物如AlN,BN等;碳化物如SiC,B4C3等。

•笔者采用绝缘性的MgO填料对塑料进行导热性能改

1.11.1　主要实验原料

　主要实验原料LED专用A胶（BS21202A型、B（BS21202B型,长沙蓝星化工新材料有限公司生产;

kH2560,曲阜晨光化工有限公司生产脱模剂自制。

MgCl2·6H2O溶液,浓度1.2mol/L;Na2CO3溶液,浓度1.3mol/L;

PVA溶液,浓度0.5mol/L.

1.2　主要仪器与设备

501型超级恒温器,上海市实验仪器厂;SHB2Ⅱ型循环水式多用真空泵,郑州长城科工贸有公司;

DF206型电热恒温箱,北京西城区医疗器械二厂;GSL1600X型真空管式炉,合肥科晶材料技术有限公司;

JEOLJSM26700F型发射扫描电镜;RigakuD/max3CX2Ray衍射仪衍射仪;LFA447型激光散射导热系数测定仪,德国耐弛公司;

WGT2S型透光率/雾度测定仪,上海华岩仪器设备有限公司。

1.3.1　纳米氧化镁颗粒的制备

配制一定摩尔浓度的MgCl2溶液和Na2CO3溶液50mL。

将10mLPVA溶液加入到MgCl2溶液中,超声波混合均匀后,置于恒温水浴中,快速搅拌并向其中加入Na2CO3溶液;陈化、抽虑,依次用PVA溶液、无水乙醇洗涤[4];110℃恒温干燥4h;700℃下用流动Ar锻烧4h,即可得到白色纳米MgO粉末。

工艺流程如图1所示。

图1　纳米氧化镁的制备工艺流程

四、LED封装用环氧树脂的导热透明改性

1.3.2　环氧树脂的改性与固化

1未改性环氧树脂的固化。

首先将A胶在50～60℃加热1h,然后加入B胶混合均匀,固化温度为110℃,固化时间为4h,最后获得到环氧树脂的固化物。

四、LED封装用环氧树脂的导热透明改性

2经过MgO改性后环氧树脂的固化。

MgO是常用的无机填料,其导热率约3413W/（m·K,导热性能优于Al2O3、SiO2等。

如果MgO的粒径达到纳米尺寸时,其导热性将会显著增加。

在环氧树脂固化体系中加入纳米氧化镁之前,首先要用表面处理剂（本实验用硅烷类偶联剂kH2560进行化学改性,增强其对树脂基体的结合[5]。

本实验改性的具体工艺流程如图2所示。

四、LED封装用环氧树脂的导热透明改性

图2　纳米MgO改性环氧树脂的固化流程

四、LED封装用环氧树脂的导热透明改性

2.1　微观扫描照片（SEM及EDS分析由SEM照片（图3可以看出,加入PVA后,实验所制备的纳米MgO颗粒无明显团聚,分散性较好。

粒子呈球形,粒度分布在40～50nm之间[6]。

四、LED封装用环氧树脂的导热透明改性

图3　纳米氧化镁的SEM照片

四、LED封装用环氧树脂的导热透明改性

2.2　微观结构表征（XRD

图4给出了卤水2碳酸钠沉淀转化法制备的纳米氧化镁的X射线衍射分析图谱,由图可见,其衍射角2θ与粉末衍射标准联合委员会

8720653完全一致,为立方晶系结构,并且纯度很高。

产品的衍射峰相当尖锐,结晶型良好[]。

根据谢乐方程（S计算知,平均粒径为40～50nm,与扫描照片观测一致。

四、LED封装用环氧树脂的导热透明改性

图4　纳米氧化镁的X射线衍射图

四、LED封装用环氧树脂的导热透明改性

2.3　导热性能测试

根据MgO含量的不同进行实验,每组MgO质量分数分别为:

0%,0.1%,0.2%,0.3%,0.4%.

绘出它们的热导曲线图（图5。

从图中可以看出,经过改性后的环氧树脂固化物,随MgO含量的增加,导热性能增加。

四、LED封装用环氧树脂的导热透明改性

图5　MgO的含量对热导率的影响

四、LED封装用环氧树脂的导热透明改性

由热导率测定仪测得固化物的热扩散系数,然后根据公式λ=ραCp得到热导率。

图5为加入不同含量MgO的环氧树脂固化物,在室温下的热导率变化,表明固化物的导热性随MgO的含量的增加而增大。

由于晶体的导热机理是排列整齐的晶粒的热振动,晶体的热导率比非晶体大得多。

纳米MgO晶体的尺寸效应,其导热性将比普通MgO晶体有质的变化,因此作为填料对环氧树脂进行改性,固化后的产品,导热性能大大增强。

纳米MgO的填料质量分数如果达到50%,固化物的导热率将会更大,但是其他性能将发生变化（如透光率将大大下降。

因此,要考虑固化物的综合性能,选择加入合适含量的MgO提高固化物的导热性

2.4　透光性测试

添加成核剂是增大透明树脂透光率最有效的一种方法。

图6表明了MgO的含量对透光率的影响。

从图中可以看出,随着MO加入量的增大透光率增大;达到最大透光率后,随MO的增大,透光率反而下降。

这是因为,加入成核剂太多,降低结晶程度抵消不了结晶度增长的影响,反而使透光率下降。

因此,本实验MgO的最佳添加量为环氧树脂质量（质量分数的0.2%。

四、LED封装用环氧树脂的导热透明改性图6　MgO的含量对透光率的影响

四、LED封装用环氧树脂的导热透明改性3　结论纳米MgO填料的加入提高了环氧树脂固化物的导热性,且随MgO的含量增加,固化物的热导率相应增加。

环氧树脂固化物的透光性能受到MgO的含量影响,MgO的质量分数为0.2%时固化物的透光率最大;继续提高MgO的含量固化物的透光率下降。

因此,添加质量分数为0.2%的MgO填料会使固化物的透光性能和导热性能同时增强。

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