散熱設(shè)計延長LED使用壽命 散熱材料該如何選擇和運用?

　　開發(fā)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(yīng)用方法至關(guān)重要。

　　LED行業(yè)是發(fā)展最快的技術(shù)行業(yè)之一。盡管LED應(yīng)用于許多電子設(shè)備中已多年，但是近來更多的大功率LED應(yīng)用于各種照明、汽車(圖1)、招牌和家用電器產(chǎn)品中，數(shù)量不菲?；贚ED的照明非?？煽?，但可靠性取決于組件周圍良好的散熱設(shè)計。本文將介紹如何仔細(xì)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(yīng)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?zé)?、白熾燈和熒光燈照明系統(tǒng)的替代品，其照明市場的發(fā)展將是很可觀的。LED的增長歸功于LED在適應(yīng)性、壽命和效率方面優(yōu)于傳統(tǒng)照明形式。LED有更多的設(shè)計自由度，提供非常長的使用壽命，并且也相當(dāng)高效，能將大部分能量轉(zhuǎn)換成光，從而最大限度地減少散發(fā)的熱量。

　　產(chǎn)生熱量

　　然而，LED仍然在半導(dǎo)體結(jié)處產(chǎn)生明顯的熱量。這種熱量可對LED產(chǎn)生不利影響，因此必須進行散熱，以確保實現(xiàn)固態(tài)照明(SSL)的真正優(yōu)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(fā)生變化，其色溫也會發(fā)生變化。例如，白光的溫度升高，可導(dǎo)致LED發(fā)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(fā)射一定范圍的色溫，從而影響終端照明產(chǎn)品的質(zhì)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(chǎn)生更多的光;因此，可以只需要少數(shù)量的LED就可以實現(xiàn)期望的效果。工作溫度的升高可能會對LED的性能產(chǎn)生負(fù)面的影響，但這種影響是可以恢復(fù)的。然而，如果超過結(jié)溫，特別是高于LED(120-150℃)的最高工作溫度，則可能會發(fā)生不可恢復(fù)的影響，導(dǎo)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(guān);溫度越高，LED壽命越短，如圖2所示。LED驅(qū)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(zhì)量、外觀和使用壽命，從而為不斷發(fā)展的行業(yè)開辟進一步應(yīng)用的機會。

　　圖2. 曲線記錄了Cree XLamp LED在350 mA驅(qū)動下的結(jié)溫與壽命間的關(guān)系。

　　導(dǎo)熱緩解

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

　　導(dǎo)熱接口材料是設(shè)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(shè)備的工作溫度。固化產(chǎn)品也可用作粘合材料。實例包括硅氧烷RTV(室溫硫化)或環(huán)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(dǎo)熱的另一個選擇是使用導(dǎo)熱封裝樹脂。這些產(chǎn)品設(shè)計用于提供對設(shè)備的保護，同時還讓設(shè)備內(nèi)產(chǎn)生的熱量散發(fā)到周圍環(huán)境中。在這種情況下，封裝樹脂變成散熱器，并將熱能從設(shè)備傳導(dǎo)出去。這些產(chǎn)品可用于LED裝置上，并且還可以根據(jù)所選擇的顏色幫助從單元內(nèi)進行光提取。

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

　　封裝材料選項

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

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

　　應(yīng)用屬性

　　不管選擇的散熱產(chǎn)品的類型如何，還有一些關(guān)鍵屬性也必須考慮。這些可以是相當(dāng)簡單的參數(shù)，例如設(shè)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(shù)對于設(shè)備來說更為重要，而僅僅一個數(shù)值可能不足以選定正確的產(chǎn)品。 熱導(dǎo)率是一個主要的例子。熱導(dǎo)率單位為瓦/米·度(W/m·K)，代表材料的熱傳導(dǎo)能力。堆積導(dǎo)熱率值建立在大多數(shù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)表上，可以很好地反映預(yù)期的熱傳導(dǎo)水平，從而可以比較不同的材料。

　　但是，只依賴堆積導(dǎo)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(dǎo)率的倒數(shù)，它考慮了界面厚度。盡管度量標(biāo)準(zhǔn)取決于接觸面和施加的壓力，但是可以遵循一些一般規(guī)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(dǎo)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(dǎo)熱墊產(chǎn)生的熱阻差異。因此，較低的界面厚度和較高的熱導(dǎo)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。

　　應(yīng)用方法

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

　　對于導(dǎo)熱封裝樹脂來說，成功的關(guān)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(chǎn)生熱量。為了實現(xiàn)這種應(yīng)用，樹脂需要正確的導(dǎo)熱性和粘度。通常，隨著樹脂的導(dǎo)熱性增加，粘度也增加。

　　對于界面材料來說，產(chǎn)品的粘度或應(yīng)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(dǎo)熱率、較低粘度的產(chǎn)品相比，高導(dǎo)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(dǎo)熱率、接觸電阻、應(yīng)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(fā)熱裝置的溫度，比較散熱的潛在差異。這些結(jié)果是基于一名終端用戶的工作得出的，其所有產(chǎn)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(dǎo)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(dǎo)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(chǎn)品、該產(chǎn)品不易于應(yīng)用、或者該產(chǎn)品不是為該特定應(yīng)用設(shè)計的。無論什么原因，它突顯了產(chǎn)品應(yīng)用和產(chǎn)品選擇的重要性;通過找到這兩個參數(shù)的正確平衡，可以實現(xiàn)最大的傳熱效率。

　　回顧圖2“LED性能與壽命”中的原始數(shù)據(jù)，并以上述結(jié)果為例，可以得出結(jié)論：散熱管理材料的使用和正確選擇很重要。舉表2中的產(chǎn)品#2。在測試應(yīng)用程序中，將工作溫度降低了20%。如果對所討論的LED實現(xiàn)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(dāng)您將把上面的情況與表2中的產(chǎn)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(chǎn)品并使用最佳工藝，用產(chǎn)品#4代替產(chǎn)品#2時，壽命可以進一步提高15-20%。

　　隨著電子工業(yè)的迅速發(fā)展，更具體地說在LED應(yīng)用中，材料技術(shù)也必須滿足越來越高的散熱要求。該技術(shù)現(xiàn)在也被轉(zhuǎn)移到封裝化合物中，為產(chǎn)品提供更高的填料負(fù)載，從而提高導(dǎo)熱性以及改善流動性。