功率LED的散热问题如何解决？ 解决, 散热, 功率, LED

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散热器在自身的热容达到极限后需将热向空气进行传导，一般是通过对流散热和辐射散热进行。要使散热器将热量快速的传递出去，根据对流散热和辐射散热的基础公式，可以知道面积是最关键的因数。因此在设计允许范围内尽量加大散热面积成为最重点的设计因素。

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白光LED仍旧存在着发光均匀性不佳、封闭材料的寿命不长等问题，无法发挥白光LED被期待的应用优点。但就需求层面来看，不仅一般的照明用途，随着手机、LCD TV、汽车、医疗等的广泛应用，使得最合适开发稳定白光LED的技术研究成果就广泛的被关注。
         改善白光LED的发光效率，目前有两大方向，一是提高LED芯片的面积，藉此增加发光量。二是把几个小型芯片一起封装在同一个模块下。
藉由提高芯片面积来增加发光量
        虽然，将LED芯片的面积予以大型化，藉此能够获得高得多的亮度，但因过大的面积，在应用过程和结果上也会出现适得其反的现象。所以，针对这样的问题，部分LED业者就根据电极构造的改进和覆晶的构造，在芯片表面进行改良，来达到50lm/W的发光效率。例如在白光LED覆晶封装的部分，由于发光层很接近封装的附近，发光层的光向外部散出时，电极不会被遮蔽，但缺点就是所产生的热不容易消散。
       并非进行芯片表面改善后，再加上增加芯片面积就绝对可以迅速提升亮度，因为当光从芯片内部向外扩散射时，芯片中这些改善的部分无法进行反射，所以在取光上会受到一点限制，根据计算，最佳发挥光效率的LED芯片尺寸是在7mm2左右。
利用封装数个小面积LED芯片快速提高发光效率
        和大面积LED芯片相比，利用小功率LED芯片封装成同一个模块，这样是能够较快达到高亮度的要求，例如，Citizen就将8个小型LED封装在一起，让模块的发光效率达到了60lm/W，堪称是业界的首例。
        但这样的做法也引发的一些疑虑，因为是将多颗LED封装在同一个模块上，必须置入一些绝缘材料，以免造成LED芯片间的短路情况发生，如此一来就会增加了不少的成本。
        对此Citizen的解释是：“对于成本的影响幅度是相当小的，因为相较于整体的成本比例，这些绝缘材料仅不到百分之一，并可以利用现有的材料来做绝缘应用，这些绝缘材料不需要重新开发，也不需要增加新的设备来因应。”
        虽然Citizen的解释理论上是合理的，但是，对于无经验的业者来说，这就是一项挑战，因为无论在良率、研发、生产工程上都是需要予以克服的。还有其它方式可达到提高发光效率的目标，许多业者发现，在LED蓝宝石基板上制作出凹凸不平坦的结构，这样或许可以提高光输出量，所以，有逐渐朝向在芯片表面建立Texture或Photonics结晶的架构。例如德国的OSRAM就是以这样的架构开发出“Thin GaN”高亮度LED。原理是在InGaN层上形成金属膜，之后再剥离蓝宝石，这样，金属膜就会产生映像的效果而获得更多的光线取出，根据OSRAM的资料显示，这样的结构可以获得75％的光取出效率。
        除了芯片的光取出方面需要做努力外，因为期望能够获得更高的光效率，在封装的部分也是必须做一些改善。事实上，每多增加一道的工程都会对光取出效率带来一些影响，不过，这并不代表着，因为封装的制程就一定会增加更高的光损失，就像日本OMROM所开发的平面光源技术，就能够大幅度的提升光取出效率，这样的结构是将LED所射出的光线，利用LENS光学系统以及反射光学系统来做控制的，所以OMROM称之为“Double reflection ”。利用这样的结构，可将传统炮弹型封装等的LED所造成的光损失，针对封装的广角度反射来获得更高的光效率，更进一步的是，在表面所形成的Mesh上进行加工，而形成双层的反射效果，这样的方式可以得到不错的光取出效率控制的。因为这样特殊的设计，利用反射效果达到高光取出效率的LED，主要的用途是针对LCD TV背光所应用的。
封装材料和荧光材料的重要性增加
        如果期望用来作为LCD TV背光应用的话，那幺需要克服的问题就会更多了。因为LCD TV的连续使用时间都是长达数个小时，甚至10几个小时，所以，由于这样长时间的使用情况下，拿来作为背光的白光LED就必须拥有不会因为连续使用而产生亮度衰减的情况。
        目前已发表的高功率的白光LED，它的发光功率是一个低功率白光LED亮度的数十倍，所以期望利用高功率白光LED来代替荧光灯作为照明设备的话，有一个必须克服的困难就是亮度递减的情况。例如，白光LED长时间连续使用1W的情况下，会造成连续使用后半段时间的亮度逐渐降低的现象，不是只有高功率白光LED才会出现这样的情况，低功率白光LED也会存在这样的问题，只不过是因为低功率白光应用的产品不同，所以，并不会因此特别突显出这样的困扰。
        使用的电流愈大，所获得的亮度就愈高，这是一般对于LED能够达到高亮度的观念，不过，因为所使用的电流增加，因此封装材料是否能够承受这样长时间的因为电流所产生的热，也因为这样的连续使用，往往封装材料的热抵抗会降到10k/w以下。
        高功率LED的发热量是低功率LED的数十倍，因此，会出现随着温度上升，而出现发光功率降低的问题，所以在能够抗热性高封装材料的开发上，相对显的非常重要。
        或许在20～30lm/W以下的LED，这些问题都不明显，但是，一旦面临60lm/w以上的高发光功率LED的时候，就需要想办法解决的。热效应所带来的影响，绝对不会仅仅只有LED本身，而是会对整个应用产品带来困扰，所以，LED如果能够在这一方面获得解决的话，那幺，也可以减轻应用产品本身的散热负担。因此，在面对不断提高电流情况的同时，如何增加抗热能力，也是现阶段的急待被克服的问题。从各方面来看，除了材料本身的问题外，还包括从芯片到封装材料间的抗热性、导热结构及封装材料到PCB板间的抗热性、导热结构和PCB板的散热结构等，这些都需要作整体性的考量。例如，即使能够解决从芯片到封装材料间的抗热性，但因从封装到PCB板的散热效果不好的话，同样也是造成LED芯片温度的上升，出现发光效率下降的现象。所以，就像是松下就为了解决这样的问题，从2005年开始，便把包括圆形、线形、面型的白光LED，与PCB基板设计成一体，来克服可能因为出现在从封装到PCB板间散热中断的问题。但并非所有的业者都像松下一样，因为各业者的策略关系，有的业者以基板设计的简便为目标，只针对PCB板的散热结构进行改良。还有相当多的业者，因为本身不生产LED，所以只能在PCB板做一些研发，但仅此还是不够的，所以需要选择散热性良好的白光LED。能让PCB板上用的金属材料，能与白光LED封装中的散热槽紧密连接，达到散热的能力。这样看起来好象只是因为期望达到散热，而把简单的一件事情予以复杂化，到底这样是不是符合成本和进步的概念？以今天的应用层面来说，很难做一个判断，不过，是有一些业者正朝向这方面作考量，例如Citizen在2004年所发表的产品，就是能够从封装上厚度为2～3mm的散热槽向外散热，提供应用是因为使用了具有散热槽的高功率白光LED，能让PCB板的散热设计得以发挥。
封装材料的改变使白光LED寿命达原先的4倍
        发热的问题不是只会对亮度表现带来影响，同时也会对LED本身的寿命出现挑战，所以在这一部份，LED不断的开发出封装材料来因应持续提高中的LED亮度所产生的影响。
        过去用来作为封装材料的环氧树脂，耐热性比较差，可能会出现在LED芯片本身的寿命到达前，环氧树脂就已经出现变色的情况，因此，为了提高散热性，必须让更多的电流获得释放。除此之外，不仅因为热现象会对环氧树脂产生影响，甚至短波长也会对环氧树脂造成一些问题，这是因为环氧树脂相当容易被白光LED中的短波长光线破坏，即使低功率的白光LED就已经会造成环氧树脂的破坏，更何况高功率的白光LED所含的短波长的光线更多，恶化自然也加速，甚至有些产品在连续点亮后的使用寿命不到5,000小时。所以，与其不断的克服因为旧有封装材料－环氧树脂所带来的变色困扰，不如朝向开发新一代的封装材料的选择。目前在解决寿命这一方面的问题，许多LED封装业者都朝向放弃环氧树脂，而改用了硅树脂和陶瓷等作为封装的材料。根据统计，因为改变了封装材料，事实上可以提高LED的寿命。就资料上来看，代替环氧树脂的封装材料－硅树脂，就具有较高的耐热性，根据试验，即使是在摄氏150～180度的高温，也不会变色的现象，看起来似乎是一个不错的封装材料。
        硅树脂能够分散蓝色和近紫外光，与环氧树脂相比，硅树脂可以抑制材料因为电流和短波长光线所带来的劣化现象，缓和光穿透率下降的速度。以目前的应用来看，几乎所有的高功率白光LED产品都已经改用硅树脂作为封装的材料，例如，相对于波长400～450nm的光，环氧树脂约在个位的数百分比左右，但硅树脂对400～450nm的光线吸收却不到百分之一，这样的落差，使得在抗短波长方面，硅树脂有着较出色的表现。
        就寿命表现度而言，硅树脂可以达到延长白光LED使用寿命的目标，甚至可以达到4万小时以上的使用寿命。但是不是真的适合用来做照明的应用还有待研究，因为硅树脂是具有弹性的柔软材料，所以在封装的过程中，需要特别注意应用的方式，从而设计出最适当的应用技术。
        对于未来应用方面，提高白光LED的光输出效率将会是决胜的关键点。白光LED的生产技术，从过去的蓝色LED和黄色YAG荧光体的组合，开发出仿真白光，到利用三色混合或者使用GaN材料，开发出白光LED，对于应用来说，已经可以看的出将会朝向更广泛的方向扩展。

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        散热是LED灯要重点解决的问题，而在这之前是一个导热过程更是一个关键。传统的散热模式中使用到导热材料是导热硅脂，导热硅脂在成本上会经济一些，但在需要大面积涂抹，存在很大问题，无法涂抹均匀。散热铜敷板和散热片或金属支架灯、金属外壳的接触，现在很多LED灯厂家使用我公司提供的软性硅胶导热片，可以大面积的铺垫,操作方便.最薄的是0.5mm，厚度可选择，1.0mm、1.5mm...5mm厚度，最厚可以达到16mm,压缩摸量是20%-25%,可以有效地将热量传递到散热器件上.更多使用方式、资讯及测试样品请与我联系! 另外采用导热硅胶片，也是很好的一个选择。圳之星科技是专业自主研发、生产、销售导热界面材料的厂商，现在为满足国内LED灯饰行业的使用要求，圳之星公司结合相关LED行业的合作经验，了解LED灯具的散热要求及结构特性，针对性地研发及生产LED导热硅胶（型号为SP150）并投放市场使用。    SP150导热硅胶具有导热性能良好（导热系数为1.99w/m-k）、SP160导热系数2.75w/m-k.柔软高压缩比、表面自带粘性使安装工况更为简便、耐侯及抗高压性能优越等产品技术特点。经行业有关厂家使用后，传热效果明显，降低器件长期工作的内部温度，大幅提高LED灯具的使用寿命，减少光热能量损失，将光衰减降至一定范围，提升LED灯具的各项效能（如寿命、流明、使用环境温度等）。 目前，LED导热硅胶在大功率LED灯具被广泛应用，功率范围为18W至200W不等；如: LED路灯、射灯、泛光灯、隧道灯、地埋灯、洗墙灯、染视灯等等。 阻燃防火性能符合U.L 94V-0 要求,并符合欧盟SGS环保认证   工作温度一般在-50℃～220℃  欢迎来电咨询，我们会为你寄上资料和样品


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