開發人員可以通過有效的散熱管理來提高LED的效率和使用壽命，但JADE BRIDGES解釋說，精心選擇散熱材料和應用方法至關重要。

 

　　LED行業是發展最快的技術行業之一。盡管LED應用于許多電子設備中已多年，但是近來更多的大功率LED應用于各種照明、汽車(圖1)、招牌和家用電器產品中，數量不菲?；贚ED的照明非常可靠，但可靠性取決于組件周圍良好的散熱設計。本文將介紹如何仔細選擇散熱材料以及了解如何運用這些材料。

 

 

圖1. 汽車LED大燈應用不僅要求良好的散熱，而且要求能同時保護好LED燈。

 

　　LED作為鹵素燈、白熾燈和熒光燈照明系統的替代品，其照明市場的發展將是很可觀的。LED的增長歸功于LED在適應性、壽命和效率方面優于傳統照明形式。LED有更多的設計自由度，提供非常長的使用壽命，并且也相當高效，能將大部分能量轉換成光，從而最大限度地減少散發的熱量。

 

 

　　然而，LED仍然在半導體結處產生明顯的熱量。這種熱量可對LED產生不利影響，因此必須進行散熱，以確保實現固態照明(SSL)的真正優勢。LED通常通過色溫進行分類，市場上有很多不同顏色的變體。

 

　　假如LED的工作溫度發生變化，其色溫也會發生變化。例如，白光的溫度升高，可導致LED發出較暖的CCT。另外，如果在相同陣列中的LED上存在芯片溫度的變化，則可能發射一定范圍的色溫，從而影響終端照明產品的質量和外觀。

 

　　如表1所示，保持LED的正確芯片溫度不僅可以延長使用壽命，而且還可以產生更多的光;因此，可以只需要少數量的LED就可以實現期望的效果。工作溫度的升高可能會對LED的性能產生負面的影響，但這種影響是可以恢復的。然而，如果超過結溫，特別是高于LED(120-150℃)的最高工作溫度，則可能會發生不可恢復的影響，導致完全失效。

 

 

表1. 如CREE XLamp LED的特性所示，LED性能隨溫度的變化而變化。

 

　　實際上，工作溫度與LED的壽命直接相關;溫度越高，LED壽命越短，如圖2所示。LED驅動器也是同理，其壽命是由電解電容器的壽命決定。通過計算，可以確定，工作溫度每下降10℃，電容器的壽命增加一倍。因此，確保有效的散熱管理可為LED陣列提供一致的質量、外觀和使用壽命，從而為不斷發展的行業開辟進一步應用的機會。

 

 

圖2. 曲線記錄了Cree XLamp LED在350 mA驅動下的結溫與壽命間的關系。

 

 

　　有許多方法來改善LED產品的散熱管理，必須選擇正確類型的導熱材料，以確保實現所需的散熱效果。在材料領域，產品范圍從提供散熱和環境保護的導熱封裝樹脂到用于提高導熱效率的導熱接口材料。

 

　　導熱接口材料是設計用于填充器件和散熱器之間間隙的化合物，從而降低兩者之間邊界處的熱阻。這種材料會加快熱損失，降低設備的工作溫度。固化產品也可用作粘合材料。實例包括硅氧烷RTV(室溫硫化)或環氧化合物。材料的選擇通常取決于所需的粘合強度或工作溫度范圍。

 

　　導熱的另一個選擇是使用導熱封裝樹脂。這些產品設計用于提供對設備的保護，同時還讓設備內產生的熱量散發到周圍環境中。在這種情況下，封裝樹脂變成散熱器，并將熱能從設備傳導出去。這些產品可用于LED裝置上，并且還可以根據所選擇的顏色幫助從單元內進行光提取。

 

　　封裝樹脂還包括使用導熱填料;然而，可以改變所使用的基礎樹脂、硬化劑和其它添加劑，以提供廣泛的選擇，包括環氧樹脂、聚氨酯和硅樹脂化學品。不同的化學材料將提供一系列的屬性，每個都應該考慮到最終的應用需求。

 

 

　　例如，聚氨酯材料提供優異的柔韌性，特別是在低溫下，相對于環氧樹脂類來說是一個主要優點。有機硅樹脂也可以在低溫下提供這種靈活性，并提供優異的高溫性能，超過其他現有的化學成分。有機硅產品通常也更昂貴。

 

　　環氧樹脂類非常堅固，在各種惡劣環境中提供卓越的保護。它們是具有低熱膨脹系數的剛性材料，并且在一些情況下可以在產品中加入一定程度的柔性。封裝樹脂的加入可以為各種應用產生大量的具有定制性能的產品;因此，建議與相關材料供應商詳細討論應用。

 

 

　　不管選擇的散熱產品的類型如何，還有一些關鍵屬性也必須考慮。這些可以是相當簡單的參數，例如設備的操作溫度、電氣要求或其他限制條件，如粘度、固化時間等。

 

　　其他參數對于設備來說更為重要，而僅僅一個數值可能不足以選定正確的產品。 熱導率是一個主要的例子。熱導率單位為瓦/米·度(W/m·K)，代表材料的熱傳導能力。堆積導熱率值建立在大多數產品數據表上，可以很好地反映預期的熱傳導水平，從而可以比較不同的材料。

 

　　但是，只依賴堆積導熱率值不一定會有最有效的熱傳遞。

 

　　熱阻的單位是K·m2 /W，是熱導率的倒數，它考慮了界面厚度。盡管度量標準取決于接觸面和施加的壓力，但是可以遵循一些一般規則來確保熱阻值最小，從而將傳熱效率最大化。

 

　　例如，相比在界面處使用的傳熱化合物，金屬散熱器具有更高的熱導率，所以只需要使用薄薄的一層該化合物。在這種情況下，增加厚度只會增加熱阻。使用圖3中的公式，就可以比較出使用50 μm的熱膠和0.5毫米厚度的導熱墊產生的熱阻差異。因此，較低的界面厚度和較高的熱導率可以最大程度地改善熱傳遞。

 

 

圖3. 了解熱阻公式是選擇最佳熱材料時所必需的。

 

 

　　我們在產品選擇中需要考慮另一個重要因素 - 散熱管理材料的應用。 無論是封裝化合物還是界面材料，導熱介質中的任何間隙都會導致散熱速率的降低。

 

　　對于導熱封裝樹脂來說，成功的關鍵是確保樹脂可以在單元周圍流動，包括進入任何小間隙。這種均勻的流動有助于去除任何氣隙，并確保在整個單元中不產生熱量。為了實現這種應用，樹脂需要正確的導熱性和粘度。通常，隨著樹脂的導熱性增加，粘度也增加。

 

　　對于界面材料來說，產品的粘度或應用時可能的最小厚度對熱阻有很大的影響。因此，與具有較低堆積導熱率、較低粘度的產品相比，高導熱性、高粘度的化合物雖然不能均勻地擴散到表面上，但是具有較高的耐熱性和較低的散熱效率值。為了將傳熱效率最大化，用戶需要解決堆積導熱率、接觸電阻、應用厚度和工藝。

 

　　表2突出了需要考慮這些要求。通過測量使用中的發熱裝置的溫度，比較散熱的潛在差異。這些結果是基于一名終端用戶的工作得出的，其所有產品都是熱界面材料，使用相同厚度，使用相同的方法。

 

 

表2. 如Cree XLamp LED所示，導熱接口材料特性直接影響LED器件的溫度。

 

　　從表中可以清楚地看出，較高體積熱導率12.5 W/m·K與較低的1.4 W/m·K相比，不一定會有更有效的散熱。這個原因可能是加工方法不適合該產品、該產品不易于應用、或者該產品不是為該特定應用設計的。無論什么原因，它突顯了產品應用和產品選擇的重要性;通過找到這兩個參數的正確平衡，可以實現最大的傳熱效率。

 

　　回顧圖2“LED性能與壽命”中的原始數據，并以上述結果為例，可以得出結論：散熱管理材料的使用和正確選擇很重要。舉表2中的產品#2。在測試應用程序中，將工作溫度降低了20%。如果對所討論的LED實現類似的降低百分比，則通過將工作溫度從85℃降低至68℃，效率可以大大提高，類似地，壽命從95000小時提高到12萬小時。這是一個很大的改進。

 

　　然而，當您將把上面的情況與表2中的產品#4進行比較時，通過降低更多的工作溫度，可以將效率提高大于3%，壽命從95000小時增加到14萬小時。因此，通過選擇正確的產品并使用最佳工藝，用產品#4代替產品#2時，壽命可以進一步提高15-20%。

 

　　隨著電子工業的迅速發展，更具體地說在LED應用中，材料技術也必須滿足越來越高的散熱要求。該技術現在也被轉移到封裝化合物中，為產品提供更高的填料負載，從而提高導熱性以及改善流動性。