中小功率LED新型散熱模式—垂直散熱

與傳統(tǒng)光源相比，LED固體光源具有效率高、光色純、能耗低、壽命長(zhǎng)，可靠耐用、應(yīng)用靈活、無污染等優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用于道路照明、家居照明、汽車照明、景觀照明等領(lǐng)域。然而良好的散熱特性是LED優(yōu)異性能和穩(wěn)定可靠的根本保證。溫度對(duì)LED性能產(chǎn)生重要的影響，包括色溫改變、波長(zhǎng)紅移、效率下降、正向壓降等等，因此，熱管理對(duì)LED的性能、光轉(zhuǎn)換效率以及應(yīng)用產(chǎn)生重要的影響。本文主要研究新型垂直散熱模式LED在光電熱特性方面的潛在優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)水平散熱模式LED相比，垂直散熱結(jié)構(gòu)LED具有亮度高、散熱快、光衰小、成本低、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，是目前中小功率LED中應(yīng)用照明光源的發(fā)展趨勢(shì)。

一、垂直與水平散熱模式結(jié)構(gòu)對(duì)比

在本文兩種不同散熱模式LED特性分析中，新型垂直散熱模式LED選用目前市場(chǎng)及應(yīng)用熱門的3014LED為例，傳統(tǒng)水平散熱模式則選用常用的3528LED為例，以做對(duì)比分析。

圖1和圖2分別為垂直散熱與水平散熱LED的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3所示為兩種LED的散熱方式示意圖。

圖1.垂直散熱模式結(jié)構(gòu)示意圖

圖2.水平散熱模式結(jié)構(gòu)示意圖

圖3.水平與垂直散熱方式示意圖

從圖1、圖2的結(jié)構(gòu)圖中可以看出，3528LED在結(jié)構(gòu)是通過銲接兩端電極的焊腳進(jìn)行散熱，散熱方式為水平散熱。3014LED在結(jié)構(gòu)上是通過底板散熱通道進(jìn)行散熱，散熱方式主要為垂直散熱。圖3更清楚的表達(dá)了兩種不同結(jié)構(gòu)LED 的散熱模式。

二、LED燈珠的熱學(xué)特性模擬

為了更好的研究對(duì)比分析不同散熱結(jié)構(gòu)LED的散熱情況，我們使用了ANASYS有限元分析模擬軟件進(jìn)行建模及熱學(xué)模擬分析。

為了能更方便的計(jì)算LED的熱阻，首先設(shè)置底板溫度參數(shù)為60℃，芯片功率為0.06W，固晶膠KER-3200-TI厚度為0.01mm，驅(qū)動(dòng)電流為20mA進(jìn)行熱分析，水平散熱結(jié)構(gòu) LED及垂直散熱結(jié)構(gòu)LED的熱分布分別如圖4、圖5所示。

圖4.水平散熱結(jié)構(gòu)LED熱模擬溫度分布圖

圖5.垂直散熱結(jié)構(gòu)LED熱模擬溫度分布圖

表1.散熱模擬溫度數(shù)據(jù)

由圖4、圖5及表1可以看出，當(dāng)同時(shí)控制基底溫度為60℃和LED工作電流為20mA時(shí)，雖然垂直散熱模式LED的芯片溫度要略高，這是因?yàn)樗x用的3014LED模型的體積及散熱面積均遠(yuǎn)小于3528 LED，熱量過于集中所造成。但垂直散熱模式的溫差較小，其熱阻117 mm2℃/W也遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)水平散熱156 mm2℃/W，均表明垂直散熱模式的散熱效率優(yōu)于水平散熱模式。

為了更接近散熱的客觀事實(shí)情況，對(duì)LED熱特性進(jìn)行第二次模擬分析。此次模擬在模型中加入相同尺寸的鋁板，不限定其溫度，只設(shè)定驅(qū)動(dòng)電流為20mA，與現(xiàn)實(shí)使用情況相符。水平散熱LED及垂直散熱LED的熱分布分別如圖6、圖7所示。

圖6.水平散熱結(jié)構(gòu)LED熱模擬溫度分布圖

圖7.垂直散熱結(jié)構(gòu)LED熱模擬溫度分布圖

表2.LED散熱模擬溫度數(shù)據(jù)

由圖6、圖7及表2可看出，垂直散熱模式LED的芯片溫度、負(fù)極溫度、溫差、熱阻等各項(xiàng)參數(shù)均遠(yuǎn)小于水平散熱燈珠，這表明垂直散熱模式能把積聚在內(nèi)部芯片的熱量及時(shí)散去。此模擬結(jié)果表明了在不設(shè)定任何溫度限制即更接近于客觀事實(shí)的情況下垂直散熱模式具有更高散熱效率的優(yōu)勢(shì)。

因一般3014LED在使用過程中一般多用25mA或者30mA電流驅(qū)動(dòng)，所以對(duì)25mA 驅(qū)動(dòng)的3014LED進(jìn)行了熱模擬分析。模擬條件如下：功率設(shè)為0.072W，固晶膠厚度設(shè)為0.01mm，正向電流IF設(shè)為25mA，相同尺寸鋁板，不限定溫度。此種情況的熱分布分別如圖8所示。表3為此次熱模擬分析的結(jié)果。與垂直散熱LED在20mA驅(qū)動(dòng)時(shí)散熱情況相比，其芯片和負(fù)極的溫度大幅度降低，表明垂直散熱LED在大電流驅(qū)動(dòng)時(shí)凸顯出更優(yōu)的散熱效果。

圖8.垂直散熱結(jié)構(gòu)LED熱模擬溫度分布圖

表3.垂直散熱結(jié)構(gòu)LED熱模擬結(jié)果（25mA）

對(duì)比表2和表3即如表4所示，通過分析，3014LED即使在25mA驅(qū)動(dòng)下，其芯片、負(fù)極溫度、溫差與20mA驅(qū)動(dòng)的3528LED相當(dāng)，而其熱阻130 mm2℃/W遠(yuǎn)低于20mA驅(qū)動(dòng)的3528LED。結(jié)果表明

即使大電流驅(qū)動(dòng)垂直模式LED，其散熱效果依然優(yōu)于小電流驅(qū)動(dòng)的水平散熱模式LED。此外，良好的散熱優(yōu)勢(shì)使得垂直模式LED在大電流驅(qū)動(dòng)下獲得更高的光通量。在照明應(yīng)用中小功率LED加大電流提高光通量從而可降低成本。垂直模式LED散熱效率高、光通量高、成本低的優(yōu)勢(shì)是成為照明應(yīng)用光源趨勢(shì)的主要因素。

表4.3014LED（25mA）與3528LED（20mA）的熱模擬對(duì)比

三、封裝試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比

（一）、兩種不同散熱結(jié)構(gòu)LED的封裝

為了保證可對(duì)比性，采用相同的物料（相同的芯片、固晶膠、金線、硅膠、螢光粉，）分別對(duì)3528 LED及3014LED進(jìn)行封裝，制作色溫、色坐標(biāo)相近的LED燈珠，以便更好的進(jìn)行亮度、光衰及色坐標(biāo)等光學(xué)特性的比較分析。

（二）、初始參數(shù)測(cè)試對(duì)比

隨機(jī)選取3014LED和3528LED各20個(gè)，其光通量和色溫如圖9、圖10所示，橫坐標(biāo)表示LED個(gè)數(shù)，縱坐標(biāo)表示光通量和相關(guān)色溫CCT。

圖9.光通量比較圖

圖10.色溫比較圖

初始參數(shù)測(cè)試結(jié)果表明，在20mA電流驅(qū)動(dòng)下，3014LED的光通量比3528高，且其CCT集中度比3528LED好。另3014一般在30mA電流下驅(qū)動(dòng)使用，其光通量達(dá)到10~11Lm；如上節(jié)熱模擬顯示，3528LED散熱效果遠(yuǎn)不如3014LED，故其在大電流驅(qū)動(dòng)下，光通量必定會(huì)嚴(yán)重受到過高熱量的影響。因此相比水平散熱LED，垂直散熱LED具有不可比擬