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LED散热设计中散热方式和材质大揭秘

电子产品世界 中字

OFweek半导体照明网讯 随着LED材料及封装技术的不断演进,促使LED产品亮度不断提高,LED的应用越来越广,以LED作为显示器的背光源,更是近来热门的话题,主要是不同种类的LED背光源技术分别在色彩、亮度、寿命、耗电度及环保诉求等均比传统冷阴极管(CCFL)更具优势,因而吸引业者积极投入。

最初的单芯片LED的功率不高,发热量有限,热的问题不大,因此其封装方式相对简单。但近年随着LED材料技术的不断突破,LED的封装技术也随之改变,从早期单芯片的炮弹型封装逐渐发展成扁平化、大面积式的多芯片封装模组;其工作电流由早期20mA左右的低功率LED,进展到目前的1/3至1A左右的高功率LED,单颗LED的输入功率高达1W以上,甚至到3W、5W封装方式更进化。

由于高亮度高功率LED系统所衍生的热问题将是影响产品功能优劣关键,要将LED组件的发热量迅速排出至周遭环境,首先必须从封装层级(L1& L2)的热管理着手。目前业界的作法是将LED芯片以焊料或导热膏接在一均热片上,经由均热片降低封装模组的热阻抗,这也是目前市面上最常见的LED封装模组,主要来源有Lumileds、OSRAM、Cree 和Nicha等LED国际知名厂商。

许多终端的应用产品,如迷你型投影机、车用及照明用灯源,在特定面积下所需的流明量需超过上千流明或上万流明,单靠单芯片封装模组显然不足以应付,走向多芯片LED封装,及芯片直接黏着基板已是未来发展趋势。

散热问题是在LED开发用作照明物体的主要障碍,采用陶瓷或散热管是一个有效防止过热的方法,但散热管理解决方案使材料的成本上升,高功率LED散热管理设计的目的是有效地降低芯片散热到最终产品之间的热阻,R junction-to-case是其中一种采用材料的解决方案,提供低热阻但高传导性,通过芯片附着或热金属方法来使热直接从芯片传送到封装外壳的外面。

当然,LED的散热组件与CPU散热相似,都是由散热片、热管、风扇及热界面材料所组成的气冷模组为主,当然水冷也是热对策之一。以当前最热门的大尺寸LED TV背光模组而言,40英寸及46英寸的LED背光源输入功率分别为470W及550W,以其中的80%转成热来看,所需的散热量约在360W及440W左右。

那么该如何将这些热量带走?目前业界有用水冷方式进行冷却,但有高单价及可靠度等疑虑;也有用热管配合散热片及风扇来进行冷却,比方说日本大厂SONY的 46吋LED背光源液晶电视,但风扇耗电及噪音等问题还是存在。因此,如何设计无风扇的散热方式,可能会是决定未来谁能胜出的重要关键。

下面就为大家介绍几种散热方式和散热的材质。

散热方式

一般说来,依照从散热器带走热量的方式,可以将散热器分为主动式散热和被动式散热。所谓的被动式散热,是指通过散热片将热源LED光源热量自然散发到空气中,其散热的效果与散热片大小成正比,但因为是自然散发热量,效果当然大打折扣,常常用在那些对空间没有要求的设备中,或者用于为发热量不大的部件散热,如部分普及型主板在北桥上也采取被动式散热,绝大多数采取主动式散热式,主动式散热就是通过风扇等散热设备强迫性地将散热片发出的热量带走,其特点是散热效率高,而且设备体积小。

主动式散热,从散热方式上细分,可以分为风冷散热、液冷散热、热管散热、半导体制冷、化学制冷等等。

风冷风冷散热是最常见的散热方式,相比较而言,也是较廉价的方式。风冷散热从实质上讲就是使用风扇带走散热器所吸收的热量。具有价格相对较低,安装方便等优点。但对环境依赖比较高,例如气温升高以及超频时其散热性能就会大受影响。

液冷

液冷散热是通过液体在泵的带动下强制循环带走散热器的热量,与风冷相比,具有安静、降温稳定、对环境依赖小等等优点。液冷的价格相对较高,而且安装也相对麻烦一些。同时安装时尽量按照说明书指导的方法安装才能获得最佳的散热效果。出于成本及易用性的考虑,液冷散热通常采用水做为导热液体,因此液冷散热器也常常被称为水冷散热器。

热管

热管属于一种传热元件,它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质,通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量,具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点,并且由热管组成的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小等优点。其导热能力已远远超过任何已知金属的导热能力。

半导体制冷

半导体制冷就是利用一种特制的半导体制冷片在通电时产生温差来制冷,只要高温端的热量能有效的散发掉,则低温端就不断的被冷却。在每个半导体颗粒上都产生温差,一个制冷片由几十个这样的颗粒串联而成,从而在制冷片的两个表面形成一个温差。利用这种温差现象,配合风冷/水冷对高温端进行降温,能得到优秀的散热效果。半导体制冷具有制冷温度低、可靠性高等优点,冷面温度可以达到零下10℃以下,但是成本太高,而且可能会因温度过低导致造成短路,而且现在半导体制冷片的工艺也不成熟,不够实用。

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