关于大功率LED工作原理和散热技术分析

 

 

【摘要】大功率LED应用非常广泛，其能耗小，照明强度高，当大规模芯片整合后，提高了LED的散热能量，若芯片发出的热量得不到及时处理将会影响LED阵列使用寿命，本文通过分析LED阵列工作原理，讨论大功率LED散热的常用技术，讨论散热技术关键参数。

 

【关键词】大功率  LED  散热技术

 

LED是发光二极管的简称，它是基于半导体管芯的发光材料，伴随着半导体材料研究技术的日益成熟，规模化发光二极管被广泛应用。LED发光二级管能耗小，照明强度大，使用寿命长，可根据特定需求设计出不同规格尺寸，已被广泛应用于室内装修，车辆，道路和城市照明领域。在实际工作中，LED 的功率是无法达到100%的，将近有80%的输入功率要转换为热损耗，随着大规模、矩阵型的LED灯的使用，能耗也会变得越来越 大，如果不能及时的处理散热问题，将会导致热量集中在二极管的 PN结，就会降低LED灯的使用寿命，严重时甚至会烧毁LED。

 

1、大功率LED的工作原理分析

 

1、LED结构

 

PN结是发光二极管(LED)的核心，主要是半导体材料构成的， 主要是GaAs（砷化稼)、GaP(磷化稼)、GaAsP(磷砷化稼)等半导体作为PN结的主要材料，在一般情况下，LED的主要PN结是一个以 5mm 常规半径构成，在PN结的边缘利用0.23mm的正方形管芯将PN 结粘接或者烧结在带引线的二极管支架上，将引线作为二极管的阴极，球形触点的金丝键作为二极管的内引线，然后在它们连接到另一支架上，将多个二极管连接在一起就形成了大规模的LED矩阵。LED发光二极管的工作原理是将电能转化为光能的过程，当二极管的PN结两端加上正向偏压时，二极管的PN电位发生变化，此时,P区正离子电荷开始流向N结,N结负离子电荷同时流向P结,P结和N结开始产生电势差。在电光转换过程中,PN结的两端负载正向偏压时会使P结和N结的区域产生非电荷平衡，从而使P结和N结组成的体系，所生成的载流子具有不稳定性,PN结内非平衡空穴需要和导带上的电子进行复合才能产生电流，同时所生成的过剩载流子容量也将以光的方式辐射出去。

 

2、大功率LED阵列的热效应及影响

 

目前由于大型LED矩阵所产生的热如果不及时散热将会影响LED矩阵的正常工作，通常LED矩阵发光效率所利用的能量仅能达到20%左右，其中80%是以热形式散发，若LED光通能量符合标准普通照明光通量应在1000流明以上，我们常用的LED照明光源LED（1mmX1mm）功率通常在1瓦左右，且生成热流密度可达106 W/mz或更高，此时需要能及时传导所生成热流，不然会累积于LED芯片内，进而造成芯片结温增加，最后烧坏芯片。这是LED芯片设置必须要解决的问题，当多个芯片封装在一起时，在增加光通量的同时，也产生的更多的热量散热问题。电流持续通过PN结， 在LED光通量增加的同时，还会导致PN结的温度升高，进而就会影响LED的PN结内部的电子浓度，同时也会影响PN结的空穴浓度，禁带宽度等参数，如果长时间的不能散热，就需导致PN结的正向偏压、发光效率、主波长等受到影响，这样就会影响LED的使用寿命，也会影响LED的正常工作。当LED结温的升高时，就会改变PN结之间的载流子的流动，这样会严重破坏PN结的正向偏压， 导致LED不能够正常工作。如果PN结温度持续升高，它的工作环境就会发生变化，这时，PN结两边的热平衡电子浓度就会发生变化，导致大量的少子产生，从而就会很快的激发PN结载流子的浓 度比杂质比就和增加，这时就会导致PN结的欧姆接触电阻的电阻率下降，就会将杂质半导体变成了本征半导体，造成PN结的功能消失，进而会影响PN结的正常工作。

 

2、大功率LED散热技术处理

 

大功率LED阵列技术芯片密度较高,LED光电转化效率仅为20%，其他转化成热能尤其是LED芯片密度越来越高，则使LED操作温度升高，从而降低LED等使用寿命；LED操作温度从63°C升至74°C后。LED的平均寿命会降低四分之三，如果要提高LED的发光效率，就需要对LED的散热进行处理，降低LED的PN结的结温。

 

1、风冷散热技术

 

空冷散热一般主要采用的是空气对流散热的技术，它主要分为自然对流散热和强迫对流散热技术两种方式，空冷散热技术主要利用空气流动来散热，本实用新型以空气为冷却剂增加LED器件四周空气流动，则可实现功率型LED设备散热，且风冷散热技术结构简单，并且该LED器件还具有结构相对简单、便于封装处理、构造简单、装置成本相对低廉、其工作非常可靠、并且风冷散热技术相对成熟等特点，但其散热效率较低，通常只适用于小功率LED散热系统。在自然对流散热技术的运用中，采用散热器可以增加LED器件的散热面积，改善LED器件的散热性能，也能够 降低LED基板器件的相关系数，而影响LED散热性能的因素有多种 情况，例如散热器基板的导热系数、器件的对流换热系数等。散热器的散热面积直接影响着LED的散热情况，而散热器的形状对LED 的散热效率影响十分巨大。随着LED芯片功率越来越大，对芯片散热要求越来越高，而利用自然对流无法达到散热要求，必须利用小风扇提高LED器件散热区域内空气对流速率，然后提高散热器散热系数，具体设计时，为抑制风扇发出的噪声，需把风扇设计得相对较小，甚至融入到LED系统，让其技能实现散热，还能降低风扇噪音。

 

2、水冷散热技术

 

LED水冷散热系统是大功率LED设备中常用的散热技术之一， 它的散热介质主要是以去离子水为主，充分利用水的循环流动进行散热。水冷散热技术系统主要由水泵、基板、导水管等部件构成， 它采用水在导水管中的流动，达到对LED器件进行散热的目的。本实用新型通过散热管也增大了LED散热面积,LED芯片工作过程中的热量被转移到基板上，水泵的主要作用就是对散热器进行水循环供电，本实用新型确保离子水可以循环流动，并由LED芯片把产生的热转移到LED基板器件上，进而由基板把热点转移到水中，最后由导水管利用水流把热带走，从而实现特定散热。采用水冷散热系统可以快速的降低LED芯片带来 的热量，与风冷散热相比，虽然水泵在运行的过程中还会产生一定的噪声，但水冷散热能够快速的散热，具有安静、对环境依赖比较小等优点，在一些中小型的LED设备中得到了广泛的应用。

 

3、热管散热技术

 

热管散热技术也较为普遍地应用于LED器件的散热，其主要采用传统的热相变增强导热器件换热，通常热管散热技术包括管壳，吸液芯及端盖几个部分。在LED的热管设计中，热管的一端设计为蒸发段（加热段），便于吸收LED器件散发的热量，另一端设计为冷凝段（冷却段），其作用是将传导的热降温，高功率LED阵列通常主要通过导热胶将其与蒸发段管壁粘接在一起，从而确保能高效地为LED散热，热管工作过程中，管体内冷却液被蒸发段吸热蒸发，则可将LED器件发出的热带走，当蒸汽从蒸汽腔流入冷凝段，在放出热量同时，也受到冷却段的冷凝，然后被冷却液体，达到对LED降温的目的，经过冷却的液体在LED器件的毛细结构丝网产生的毛细力作用下，然后再回流到蒸发段，这样通过热管冷之间的液体、气体之间的循环，达到对LED器件进行降温的目的，采用热管冷却技术的缺点是设备的制作工艺复杂比较复杂，体积极大，而且设备的成本比较高，系统整体稳定性不高。

 

4、热电散热技术

 

热电散热技术利用LED阵列通电发光后所产生的热能经导热材料进行传导，并通过冷凝设备进行吸热，主要利用热与电的调控来实现散热，其原理就是基于热电效应。在没有外磁场的情况下，热电散热技术包括导热设备和焦耳热损失的影响原理，使用热电散热技术的主要好处在于其散热密度较高，散热结果更加紧凑且能紧密结合IC工艺，系统结构集成效果更佳。与其他传统散热方式相比，采用热电散热器能够快速的降低LED器件温度，能够快速的使得LED系统的温度降低到36%以上，而且这种技术还可以进行突破，通过选择冷效率高的热导材料，并通过优化热电传导设备结构进行散热，典型的热电散热技术结构如图2所示。

 

5、热声散热技术

 

热声制冷技术主要采用热声效应来实现LED器件散热的目的， 热声效应的工作原理是将LED工作时产生的热量加入到声波密集区域，在设备的声波稀疏时将LED系统产生的热量排出，然后声波的能量就会加强。由于声波在空气中进行传播时，就会产生压力波动或者位移的波动，通过声波产生的压力波动达到散热的目的。声波在传播过程中，会受散热器温度变化而产生起伏。若当气体压力，位移和温度变化为时，则与散热器边界接触从而能迅速传递热能，使声波和热能相互转化，然后实现散热，利用声波进行散热具有制冷零件少，且使用成本低，散热结构相对简单等优点。

 

3、LED散热技术指标分析

 

1、PN结结温

 

 

PN结结温主要由PN通电时出现问题引起，通常指代LED芯片结温还指代高功率LED芯片主动区域结温。PN结运行过程中，电极间电压的存在将引起P接和N结温差，而影响PN结结温度的主要因素是:

 

（1）LED元器件不良的电极结构。LED的PN结合材料直接影响着LED的导电情况与PN结的结温，主要包括PN结的区域材料、 导电银胶以及视窗层衬底等部分都具有一定的电阻值，如果将这些电阻串联在一起，在电流经过时，就会在PN通电时产生大量的热能，如果不能及时将这些热能排出，进而能够导致PN结或者芯片的温度提升。 

 

（2）LED元器件工作时的光电效应。当PN结开始工作时，P 区流向N区得电荷只有20%的转换成光能，剩余的转换为热能，才能热能就是十分巨大的，而且N区域向P区产生电荷移动时的能量全部转变成热能，这也会影响PN结的结温，如果PN结的光电效能较差的话，就会导致PN结的结温增加。 

 

（3）LED内部器件热散失能力影响PN结的结温。由于多数LED器件内部通常由透明环氧树脂材料制成，其导热率较低，因此PN结区域所产生热能仅有小部分由内部器件释放，并且绝大部分热量都散发在该透明环氧树脂材料原料上，对LED用PCB基板和热沉以及其他散热器方向散热，这将造成LED散热效率提高和PN结结温增加。

 

（4）PN结的制作工艺。目前，在LED的制作工艺都采用了先进的技术水平，几乎能够将全面的电能转化为热能，但是如果LED 的PN周围的介质对光的折射系数过大，就会将反射回芯片内，从而也会导致PN结的结温过高。
 

 

2、LED热阻对散热指标的影响

 

 

LED热阻又是描述LED热性能的重要参数，若LED设备热阻较低，则表示系统散热性能良好，同时也表示LED散热通道较为顺畅，内部散热设计得越好，使LED所产生热量越易散去，系统散热性能也越好，在系统散热良好的情况下，使LED芯片的结温越易降低，可以提高LED寿命。一般地，LED的发热中心主要是芯片的有源区，在设计的时候，如果将LED的芯片尺寸设计 的相对面积比较大，而且还比较薄，这时，可以假定LED散热是沿着芯片的截面方向垂直传递，对LED的热阻进行分析，从PN结向外部热沉，这样LED的热扩散方式就是向外进行扩散。在LED热阻分析中，热阻可分为内热阻与外热阻2种表现形式，内热阻为LED芯片所固有，属LED芯片内在性质，它关系到LED芯片的制造材料、形状和生产工艺，对LED芯片散热性能有着举足轻重的影响。外热阻即LED芯片外壳体，外热沉，它直接关系到LED外材料，外热阻和外壳体封装材料有关、形式与外接热沉导热率有直接关系，外接热阻较大，造成LED芯片整体散热率降低。

 

4、结束语

 

LED在现实生活中应用十分广泛，为了提高LED的使用效率，需要对LED的散热效果进行有效的设计，大功率LED阵列的工作寿命与LED的散热性能有着直接的关系，一般来说,LED运行时，电能仅有20%转化为光能，其余仅转化为热能，由此可见LED运行时在特定的运行过程中会产生很多热能，这就需要在LED系统设计中， 加强对LED的散热性能进行设计，有效的控制LED的散热方式，通过采用各种散热技术方法来提升LED的散热效果。在具体的设计中，需要根据LED的使用方法以及LED阵列功率的大小，采用不同的散热技术与散热效果较好的材料，在对PN结的结温进行控制的同时，还要能够有效的降低散热器的热阻，提高散热器的散热效果。