LED灯散热设计参考

2015-06-03


    以发光二极管(LED)为光源的照明器具凭借功耗低、寿命长的特点逐渐开始在市场上渗透。其中,意欲替代白炽灯泡、灯泡型荧光灯等传统灯泡的灯泡型LED照明(以下,简称LED灯泡)近来更是备受关注。因为按照LED寿命计算的灯泡的单位时间价格已经与传统灯泡相当,所以,有望在普通家庭中加速普及。

    而LED普及及设计关键要素就是其散热解决方案,本文引自技术在线,对部分LED灯泡进行分解说明:

灯泡的外形:

  低价格化并不意味着LED灯泡可以抛弃功耗低、寿命长等特有的优点。而且,产品要想立足于市场,还需要具有较高的散热能力。

    LED灯泡发出的光线中红外线成分少。因此,与白炽灯泡、灯泡型荧光灯相比,光线照射部分升温较慢。但LED自身会发热,所以散热对策不可缺少。一旦超过LED芯片的容许温度,LED的发光效率就会下降,对灯泡的寿命也会产生不良影响。

    从外部来看,LED灯泡的特征可以说是提高了散热性的结果。从侧面看LED灯泡,整体下侧的一半以上为散热器。东芝照明、夏普都采用了铝合金铸件制造的散热器。

    在全球做LED灯里,各家差异最能明确体现的就是LED灯泡的底座。大部分厂商的LED灯泡均配备有散热片,而日本厂商的产品中则有不带散热片的。乍一想会认为没有散热片的产品便宜,但其实没有散热片时往往需要使用耐热性高的部件,因此成本并没有降低。不使用散热片是“为了提高产品的设计”(东芝照明技术)。很多厂商都在努力使LED灯泡的形状接近白炽灯泡。

LED灯泡的温度:

     这里测量了亮灯状态下LED灯泡的温度。目的是确认在外观上存在明显差异的底座(散热部)差异是否会体现在温度上。LED的光线极少含有红外线成分,因此灯光照射的灯罩部分并不会太热。但底座是LED芯片的散热部,因此温度较高。此次在认为底座会变得最热的部分(LED的安装位置附近)粘贴了放射率为0.95的胶带,利用热像仪测量了胶带的温度。

    9款LED灯泡中,底座的表面温度最高的是东芝照明技术的7.2W产品。三星LED的7.1W产品约为47℃,勤上光电的7.5W产品约为43℃,而东芝照明技术的7.2W产品约为61℃,比这两款高出了14~18℃。对底座的放射率进行计算后得出,东芝照明技术的7.2W产品约为0.37,三星LED的7.1W产品约为0.6,勤上光电的7.5W产品约为0.64。放射率低意味着使用了不容易从底座向外部散热的材质。三星LED和勤上光电的底座采用配备散热片的铝压铸件制造,而东芝照明技术的底座采用薄铝板制造,而东芝照明却称“通过对表面进行耐酸铝处理提高了放射率”。

    即便底座的表面温度达到61℃左右,“实际使用时完全没有问题”(东芝照明技术)。LED灯泡的底座温度由各厂商根据自主标准决定。“即使表面温度稍高,如果能保证LED芯片的接合温度在一定值以下,基本不会影响发光效率和寿命等”(LED灯泡厂商的技术人员)。相反,“就设计性而言比较重要的是尽可能允许表面温度升高,从而最大限度简化散热机构”(该技术人员)。

LED灯内部结构:

    在散热机构的设计方面,东芝照明技术采用发光效率较高的COB型LED的7.2W产品,将LED的热量直接散发到圆形铝板上,然后再传至底座。圆形铝板和底座并未紧密贴合,这算不上是高散热性构造。而其他厂商的LED灯泡大多采用LED封装基板与底座(散热片)紧密贴合的构造。另外,还有很多产品通过机械加工方式对连接LED封装基板的底座表面进行了平坦化处理,并通过涂布散热膏提高了密着性。“因为LED芯片的热损失较大,所以相应地在散热机构上花费了心血”

   东芝照明LED灯泡(原有产品)的下部为了使电源电路底板的热量高效传导至散热器,底板背面与散热器之间充满了填充材料。

 


但新开发的产品,东芝照明LED灯泡就更改了设计,以不罐封达到散热目的,以降低了成本

    夏普LED灯泡的截面散热器内部充满了致密的填充材料,电源电路底板和树脂壳被完全覆盖。见下图

 

 

LED灯发展趋势:   

    在2011年3月举行的照明技术相关展会“Lighting Fair 2011”上,各厂商大量展出了与白炽灯泡拥有相同程度的大配光角度LED灯泡。这些产品为了扩大配光角度,大多都增加了灯罩的面积,而缩小了底座部分。因而需要电源模块进一步实现小型化,“这就要求进一步改进热设计”其实,东芝照明技术定于2011年4月上市的大配光角度LED灯泡没有配备散热片,但通过采用铝压铸底座提高了散热性。“海外厂商已经能够轻松制造出普通的LED灯泡。为了在设计和配光角度上拉开距离,需要改善电源模块和散热机构”。

    斯坦利电气同样是新步入LED灯泡市场的公司之一。斯坦利电气的LED灯泡的最大特点在于散热器材料为陶瓷。不过,从成本来看,铝合金铸件的成本要低,许多厂商也因此放弃了陶瓷。但斯坦利电气却发现了缩小散热器后带来的巨大好处:可以实现全方位发光。

    斯坦利电气LED灯泡通过采用高散热性的陶瓷,散热器(外壳)可以缩小,除上方外,还可以照亮周围。

  

    今后,为了实现亮度相当于100W白炽灯泡的LED灯泡,还需要与此不同的提高散热的对策。新型LED封装就是对策之一。

  日本钨(Nippon Tungsten)开发出了由镀银的铜引线框架与陶瓷外壳组合而成的LED封装。该封装将作为未安装LED芯片的芯片底板供应厂商。过去曾经有过采用高导热性氮化铝材料作为LED封装外壳的产品。LED的热量可以借助外壳传导至封装底板。虽然该外壳能够凭借导热性和耐热性优于树脂外壳的特点实现高功率LED封装,但成本昂贵。

  与之相比,日本钨的芯片封装底板采用铜引线框架作为导热路径,而非LED封装外壳。外壳采用了导热性差,但耐热性优秀的廉价陶瓷。从而使成本降低到了原有陶瓷LED封装的一半。这种封装的结构虽然非常简单,但铜的熔点低,难以与陶瓷组合。为此,该公司自行开发出了能够以低于铜熔点的温度烧制、与铜结合性强的陶瓷。通过改进烧制时的温度控制和固定方法,成功开发出了电极(引线框架顶端之间)间隔小于70μm的高精度芯片底板。现已开始样品供应~~~~最终产品我们将拭目以待。

 

由优博尔技术中心编辑,若有问题请联系: Tech@youboer.com


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