Cree---LED散热设计

LED散热指引Revision1–2010SHENZHENEngineeringLearningCenter周大凯Copyright©2008,Cree,Inc.pg.2目录•LED散热的必要性•LED结温Tj与热阻R的计算•LED产品的热管理•LED灯具的散热设计1.灯珠与基板的选择与设计2.导热膏的选择与使用3.散热器的选型与设计•新型散热技术简介pg.#Copyright©2008,Cree,Inc.3散热问题是当前半导体照明技术发展的技术瓶颈！Cree~40%•白炽灯～3%•荧光灯～15%•LED10%～40%60%~90%能量转化为热量在结温60~80度时，Xlamp热转换效率约70~80%光电转换效率LED的结构分析Copyright©2008,Cree,Inc.pg.4LED芯片金线SiC衬底（导热系数400W/m.℃）热电分离结构Copyright©2008,Cree,Inc.pg.5LED的结溫TjLED的基本结构是一个半导体的P-N结。一般把P-N结区的温度定义为LED的结温。但LED的P-N结区温度无法直接测量到。LED芯片Copyright©2008,Cree,Inc.pg.6LED的热阻Rjsjsp热阻的定义：热流通道上的温度差与通道上耗散功率之比。LED的热阻定义：Rthj-sp:从PN结(j)到焊点(sp)的热阻。•单位:℃/W或K/W结温对LED寿命有重大影响XLamps~50000hrs@Tj80’C一般電子零件的溫度每上升10℃，壽命就變成約一半。温度每上升2℃，可靠性将下降10%。pg.#Copyright©2008,Cree,Inc.8除了寿命的影响．結溫的影響还有１．光輸出当LED结温80°C的时候,白光LED的光输出效率只有85%。pg.#Copyright©2008,Cree,Inc.9除了寿命的影响．結溫的影響还有２．正向电压•LED温度系数–4mV/°C（负温度系数）•结温Tj上升，LED的正向电压降低相关热阻的计算Copyright©2008,Cree,Inc.pg.10物体固有热阻：Rth=L/λSL是物体的传热方向厚度，λ是物体的热传导方向导热系数，S取物体传热流道截面面积最小值。物体面接触热阻的定义：当热量流过两个相接触的固体的交界面时，界面本身对热流呈现出明显的热阻，称为接触热阻。接触热阻与接触材料，接触面粗糙度，以及压力有关。----------基本无法计算，一般实验测试算出。减小接触热阻的措施是：①增加两物体接触面的压力，使物体交界面上的突出部分变形，从而减小缝隙增大接触面。②在两物体交界面处涂上有较高导热能力的胶状物体——导热脂。我们一般采用导热硅脂来减小热阻，接触良好的话接触热阻可忽略不计。Copyright©2008,Cree,Inc.pg.11结温的计算即是：T结温=THS+P功率*（Rjs+R接触热阻+RPCB)=T焊盘+P功率*Rjs测焊盘上焊点的温度Copyright©2008,Cree,Inc.pg.12结温的计算举例T结温=T焊盘+P功率*Rjs例：某款灯，采用5颗cree产品XP-G系列灯珠,单颗灯输入功率：IF=350mA,UF=3.3V;测试环温Ta=25℃时，测得铝基板焊盘处焊点温度为Tc=52.8℃，则可推算此款产品结温约为：Tj=T焊盘+P功率*Rjs=T焊盘+IF*Ua*Rjs=52.8℃+0.35A*【3.3-0.0021*（52.8-25）】V*6℃/W=59.6℃LED的热管理Copyright©2008,Cree,Inc.pg.13解决方法：(A)改进LED芯片、封装的结构和材料;——上中游产业完成(B)系统集成，主要针对灯具散热方式，提高换热效率。——灯具散热设计的主要工作散热设计研究方向LED灯具散热结构剖析Copyright©2008,Cree,Inc.pg.14芯片灯珠基板铝基板散热器壳体周围环境热阻小的灯珠有更低的结温增加覆铜面积有利于热量传导良好的结构便于空气对流CREE灯珠XR-E8℃/WXP-C12℃/WMC-E3℃/WXP-G5℃/W使用导热硅胶减小接触热阻节点温度控制在85℃较低的环温较好的气流场LED灯的热流通道Copyright©2008,Cree,Inc.pg.15铝基板MCPCB的设计选择产品标准厚度：0.8、1.0、1.2、1.5、2.0、2.5、3.0mm铜箔厚度：35um70um105um140um280um特色:导热系数一般为1~3W/m.℃（陶瓷基板为20以上），具有高散热性、电磁屏蔽性，机械强度高（强于陶瓷基板），加工性能优良。工艺要求有：镀金、喷锡、osp抗氧化、沉金、无铅ROHS制程等。增加散热基板覆铜面积，可以使热量分布均匀，有利于散热低热阻，良好绝缘性将导热绝缘材料导出来的热量进一步传递给散热器（导热层）Copyright©2008,Cree,Inc.pg.16FR4PCB的结构介绍LED的热量通过敷铜和金属化过孔传到线路板(PCB)的背面来达到良好的导热目的。•热性能和MCPCB相似•比MCPCB便宜许多•大纵横比,更困难的是达到可靠的镀层•板厚和孔径的比率8需增加额外的费用Rth=h/【nxkxx(Dxt–t2)】Rth:热阻(ºC/W)h:PCB厚度(m).n:过孔数量k:敷铜材料热导率(铜=390W/mK)过孔的热阻计算Copyright©2008,Cree,Inc.pg.17Tiedcathoderequiresboard-levelisolationofthermalpath(Moreexpensive!)MCPCB功率LEDs用于MCPCB大部分用于LED的MCPCB因为加入绝缘高导热层而使其价格非常高+-+-LED电路引线支架和热沉连接一般功率LEDCopyright©2008,Cree,Inc.pg.18为什么一般的功率LED不能用于FR4上+-+-LED电路敷铜层铜导热过孔FR4一般功率LED•FR4单独提供不了热通道–必须增加敷铜面积和热过孔•散热层本身是导电性的,将导致LED之间短路引线支架和热沉连接Copyright©2008,Cree,Inc.pg.19Cree-XLamp可用于FR4工作!+-+-XLamp敷铜层铜热过孔FR4隔离热通道LED电路•其独特的热电分离,如图所视的设计XLamp没有仸何问题•用FR4设计要求热密度1W/in2•铜热过孔最好采用高导热材料填充，以便使热量能更好更快的传导到覆铜层上。Copyright©2008,Cree,Inc.pg.20FR4和MCPCB的热测试序号外形基板材料1矩形MCPCB2矩形FR43星形MCPCB4星形FR4项目供应商型号数量LEDCREEXlamp70901热模块CoolerMasterECB-00412-01-GP1TIMLairdT-pcm5801测试项目测试装置TaTbRba**CoolerMasterCo.,Ltd.初步测试结果项目参数单位尺寸电流350~1000mA环境温度27~29℃TIM3．8W/mK厚度=0.127mmCopyright©2008,Cree,Inc.pg.211011121314151617181920020040060080010001200Current(mA)ThermalResistance(ºC/W)'MCPCBFR4测试结果–矩形PCB1.47%1.82%0.88%1.88%Copyright©2008,Cree,Inc.pg.22测试结果–星形PCB1011121314151617181920020040060080010001200Current(mA)ThermalResistance(ºC/W)'MCPCBFR40.70%0.46%0.96%2.95%Copyright©2008,Cree,Inc.pg.23导热物质的选用作用：填充接触面空隙，减小表面接触热阻。选用原因----空气是热的不良导体。市场上有导热硅脂，导热双面胶与导热硅胶：导热硅胶：一般为方形等固定尺寸胶状物质，导热系数一般为0.8~3w/k.m。略低于导热硅脂，成本略高。但性能稳定，相对于使用在小尺寸产品上较多。导热双面胶：导热系数一般低于1w/k.m,适用于某些需要胶粘的低功耗部件。导热硅脂：一般为偏黑色或者偏白色油泥状物质（加入银或者铝粉），借助钢制网板治具涂刷使用。可根据治具灵活调整尺寸厚度，较适合于用在大尺寸的零部件接触面。------三者都含有硅油，但经过测试，即使是含硅油较多的导热硅脂变干后散热效果会更好。灌封胶：一般导热系数0.5w/k.m左右，可起到固定绝缘导热的作用。Copyright©2008,Cree,Inc.pg.24当前LED主要散热器工艺铝挤压技术铝挤技术简单的说就是将铝锭高温加热至约520~540℃，在高压下让铝液流经具有沟槽的挤型模具，作出散热片初胚，然再对散热片初胚进行裁剪、剖沟等处理后就做成了我们常见到的散热片。一般常用的铝挤型材料为AL6063，其具有良好热传导率(约200W/m.K)与加工性。优点：易加工，成本低，技术成熟。缺点：单向挤压成型，结构受限制较多。Copyright©2008,Cree,Inc.pg.25当前LED主要散热器工艺ProductimagescourtesyofThermaFloInc.铝压铸技术一般常用的压铸型铝合金为ADC12,可制作各种立体复杂形状散热器，但热传导率较差(约96W/m.K)。优点：可进行一体化无隙设计，有利于防水及减小系统热阻。缺点:模具费用较高，散热效果一般，灯体较笨重,表面处理受限较多（阳极黑色，喷漆）。适用于制作大型器件散热外壳。注：阳极和电镀效果均较差，成品率低。现在国内多以AA1070铝料来做为压铸材料，其热传导率高达200W/m.K左右，具有良好的散热效果，但是以AA1070铝料来压铸存在着一些如下所述之问题：(1)压铸时表面流纹及氧化渣过多，会降低热传效果。(2)冷却时内部微缩孔偏高，实质热传导率降低(K200W/m.K)。(3)模具易受侵蚀，致寿命较短。(4)成型性差，不适合薄铸件。(5)材质较软，容易变型。Copyright©2008,Cree,Inc.pg.26当前LED主要散热器工艺ProductimagescourtesyofThermaFloInc.热管FIN片技术一般有采用热管加fin片（穿fin,扣fin)和单fin片（扣fin）两种形式。Fin片材质一般是AA1050(AL,约200W/m.K）或c1100(cu,约400W/m.K），导热管材质结构复杂，具有几乎完美的热传导率（约80000~110000W/m.K）。优点：良好的散热效果，重量轻。缺点：扣fin模具费用高，受冲击易变形。热管散热器尺寸有限制，安装也较复杂。扣fin可取代铝挤与压铸，散热效果相当，优点是重量较轻。热管散热器受尺寸限制较适用于大型散热体，例如路灯。热管的优势：1.導熱性高2.均溫性高3.環境的適應性高4.熱流方向的可逆性5.高穩定性(保證三年壽命)散热材质的选用Copyright©2008,Cree,Inc.pg.27散热主要用AL的特性参数10506063606120247075比重g/cm32.72.712.712.772.80彈性率kg/mm2X1037.07.07.07.57.3剛性率kg/mm2X1032.72.72.72.92.3溶融溫度範圍650-660oC600-650oC580-650oC500-640oC475-640oC比熱(0~100oC)cal/g‧oC0.220.210.220.220.23線膨脹率(20~100oC)10-6/oC2423.423.623.223.6熱傳導率(25oC)cal/cm‧s‧oC0.50.480.370.290.29熱傳導率(25oC)W/mK209.5201.12155.03121.51121.51比電氣阻(20oC)Ωmm2/m0.02820.0330.0430.0570.058等