浅谈LED灯具的散热设计

发布日期: 九五至尊娱乐场老品牌

  一、前言

  LED又称发光二极管,属于半导体组件,自1962年美国通用电气企业开发出全球第一种可实际应用的红光LED开始,至今LED已迈入全彩时代。LED的发光原理简单来说是由含电洞之P型半导体与含电子之N型半导体结合成之P-N二极管,在P-N二极管两端加上顺向偏压,当电流通过时,电子与电洞流至接合面接合时会放出能量而发光 。

  1. LED发光原理

  LED本身是单色光源,如今随着光效提升及蓝光LED的出现,它的应用(application)也逐渐偏向多元化,从早先的低功率电源指示灯演进成LED背光模块和LED照明…等高功率应用。LED被誉为21世纪的照明新光源,它具有效率高、寿命长、省能源(说明:向自然界提供能量转化的物质)、不易破损、环保无汞…等传统光源无法与之比较的优点(advantage),在节能减碳及环保意识方兴未艾之际,加上各国政府陆续宣示的能源政策,使得占生活(shēng huó)用电大量比重的「照明」成为鼓励汰换的项目之一。能源趋势、政府法令与LED发光特性三者相乘作用之下,促使LED照明产业的蓬勃发展(Develop),也吸引了国内/外厂商对于LED上、中、下游产业的投入。

  LED如同所有电子零件一般,在使用或运作的过程中都会产生热量及温升现象,如果忽视散热问题,将导致LED因高温而提早烧毁的结果。led灯珠PN结的端电压构成一定势垒,当加正向偏置电压时势垒下降,P区和N区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率比空穴迁移率大得多,所以会出现大量电子向P区扩散,构成对P区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合,复合时得到的能量以光能的形式释放出去。这就是PN结发光的原理。LED灯具的设计较传统灯具复杂,包含光学、机构、电子及散热,其中「散热」尤其重要,因为目前高功率LED灯具的转换率仅有20%会转换成光,其余80%会转换为热,如果不能将热量导出灯具之外,将无法达到九五至尊娱乐场老品牌宣称的50,000小时寿命,同时热量会影响(influence)LED的发光效率,导致严重光衰及灯具毁损的惨况。

  二、LED灯具的散热设计

  LED的发光效率及寿命与工作温度息息相关,呈现反比关系,下为美国 CREE 所发布的LED寿命报告,温度每下降10 ℃寿命将延长2倍且光通量提升3%~8%。

  2. LED寿命报告 数据(data)源:CREE

  由于高功率(high power)LED技术(Technology)的发展,使得LED灯具面临到热管理和散热设计的严苛挑战,因为温度升高不但会造成亮度(Luminance)下降,当温度超过摄氏100度时更会加速灯具本体及封装材料的劣(liè)化。led灯珠使用低压电源,供电电压在2-4V之间,根据产品不同而异,所以它是一个比使用高压电源;更安全的电源,特别适用于公共场所;亮度随电流的增大而变亮,小功率LED灯珠工作电流为0-60mA,大功率LED工作电流在150mA以上。因此,除了LED封装组件本身的散热技术外,LED灯具的散热及导热设计更是维持灯具寿命的最大关键。

  LED应用于户外照明,其散热设计相较于其他LED终端(Terminal)产品更为复杂多元,因为LED灯具的操作环境会因为温度变化、沙尘量、湿度…等因素(factor)更加严苛。以LED路灯为例,要能够长时间于户外环境工作,不仅必须符合安全(safe)法规的要求 ,更需达到克服光学特性(characteristic)稳定性、沙尘侵袭、鸟粪堆积、空气中胶质悬浮物质及水气虹吸现象造成之防水(waterproof)防尘问题等可靠度及恶劣环境的考验。

  在灯具设计(Design)方面,由LED蕊片、LED芯片基板、芯片封装、线路设计、系统电路板、散热(radiating)鳍片到灯具外壳再再都考验着LED产业上、中、下游(比喻落后的地位)的研发(研制开发)能力。led台灯就是以LED即发光二极管为光源的台灯,LED是一种固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。其使用的LED照明技术是第三代照明技术。LED台灯使用产生的蓝光会对眼睛造成伤害,但也有一系列优点。传统用于指示灯的LED多为炮弹型结构(Structure),其四周以绝缘性环氧树脂(Resin)进行封装,故LED晶粒所产生的热能主要由下方的两根金属导线以传导方式往系统电路板方向散出。然而当LED跨入照明领域后,1W以上的高功率LED成为主流,也为了增加热传导面积,照明用途之LED改采平板式封装,使LED芯片基板和系统电路板能有较大的贴(tiē)和面积。

  3. 炮弹型和平板式LED芯片

  目前(Nowadays)常见的LED芯片基板为陶瓷基板,其散热性佳,低膨胀(inflate)系数等特性,减低因热应力而产生的变型,其次还具有耐热、耐潮、绝缘(insulated)等优点,故陶瓷基板成为高功率(指物体在单位时间内所做的功的多少)照明用LED芯片基板的常用散热材料。陶瓷基板目前分为3大类:氧化铝、 低温共烧陶瓷、氮化铝,其中以AlN之导热性最佳,但技术门坎最高,故AlN多用于3W以上之LED产品,而Al2O3则用于1W~3W的范围, LTCC则适用于大尺寸大功率、小尺寸小功率之LED产品。以Cree XLamp LED系列为例,即采陶瓷基座优化散热量力。

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