大功率LED显示屏散热的改善方法 _小知识

大功率LED显示屏散热的改善方法
1、引言
目前，很多功率型LED的驱动电流达到70mA、100mA甚至1A ，这将会引起芯片内部热量聚集，导致发光波长漂移、出光效率下降、荧光粉加速老化以及使用寿命缩短等一系列问题。业内已经对大功率LED的散热问题作出了很多的努力：通过对芯片外延结构优化设计，使用表面粗化技术等提高芯片内外量子效率，减少无辐射复合产生的晶格振荡，从根本上减少散热组件负荷；通过优化封装结构、材料，选择以铝基为主的金属芯印刷电路板(MCPCB) ，使用陶瓷、复合金属基板等方法，加快热量从外延层向散热基板散发。多数厂家还建议在高性能要求场合中使用散热片，依靠强对流散热等方法促进大功率LED散热。尽管如此，单个LED产品目前也仅处于1～10W级的水平，散热能力仍亟待提高。相当多的研究将精力集中于寻找高热导率热沉与封装材料，然而当LED功率达到lOW以上时，这种关注遇到了相当大的阻力。即使施加了风冷强对流方式，牺牲了成本优势，也未能获得令人满意的变化。
讨论在现有结构、LED封装及热沉材料热导率等因素变化对于其最大功率的影响，寻找影响LED散热的关键因素。研究方法为有限元热分析法。该方法已有实验验证了LED有限元模型与其真实器件之间的差别，证明其在误差许可范围内是准确可行的。
2、建立模型
2.1有限元热分析理论
三维直角坐标系中的瞬态温度场场变量T(x ， y ， z ， t)满足：
式中：T/x ， T/y ， T/z为沿x ， y ， z方向的温度梯度；λxx,λyy ， λzz为热导率;q0为单位体积的热生成；ρc是密度与比热容的乘积：dT/dt为温度随时间的变化率。
式中：Vx ， Vy,Vz为媒介传导速率。
对于稳态热分析而言， T/t=0 ，式(1)可化简为：
根据式(3)、边界条件与初始条件，利用迭代法或者消去法求解，得出热分析结果。
2.2几何模型的建立
依据常见1w大功率LED尺寸建立并简化、海鸥翼封装铝热沉的大功率LED图形，底座接在MCPCB铝基板上。主要数据：芯片尺寸为1mm×1mm×O.25mm ，透镜为直径是13mm的半球。硅衬底为边长17mm ，高0.25mm的正六棱柱， MCPCB为直径20mm ，高1.75mm的六角星形铝质基板。
2.3有限元模型的建立
模型采用ANSYSl0.0计算，为方便分析，假设模型：
LED显示屏输入功率为1W ，光效率取10%;封装体外部的各组件(包括MCPCB、陶瓷封装、热沉的外部)通过与空气的对流散热；器件与外界的热对流系数为20 。工作环境温度为25℃；器件满足使用ANSYS软件进行稳态有限元热分析的条件；最大结温选择为125℃ 。
3、分析各种因素对于散热能力的影响
【大功率LED显示屏散热的改善方法】3.1热辐射系数对LED散热的影响
根据斯蒂芬-玻耳兹曼定律，辐照度j与温度T之间的关系：j=εσT4 。其中ε为黑体的辐射系数；σ=5.67×10-8w/(m2·k4) ，称为斯蒂芬-玻耳兹曼常数。因此可知，温度越高，辐照度越大。当输入功率为1W时，经由表面辐射散出的热能为7.63×10-4W ，仅占总热功率的1.63‰;功率达到2W时，经辐射散出的热能也仅占6.33‰ 。因此改变热辐射系数对于提高散热能力改善成效不大，散热的关键在于提高另外两种散热方式：热传递和热对流。尽管如此，仍有一些厂家将LED器件的外表面涂成黑色，以期最大限度地利用辐射散热。
3.2热导率对LED的散热的影响
只考虑热传导与对流，改变不同封装填充材料如硅树脂。即使找到一种热导率高达7Wm-1K-1的环氧树脂成分封装材料时，相比使用热导率为0.25Wm-1K-1的环氧树脂成分封装材料时，芯片温度下降不多，铝基板温度只下降了2.271℃ ，最大功率仅提高了0.69W 。实际上，热导率值超过7Wm-1K-1以上、可商业化的透明硅树脂封装材料目前尚无文献报导。
透镜热导率为0.2Wm-1K-1时，不同热沉材料的导热系数对于LED最大功率影响。热沉材料对于LED的最大散热能力的影响很小。