LED散热设计中散热方式与材质

LED散热设计中散热方式与材质【大比特导读】近年随着LED材料技术的不断突破，LED的封装技术也随之改变，从早期单芯片的炮弹型封装逐渐发展成扁平化、大面积式的多芯片封装模组;其工作电流由早期20mA左右的低功率LED，进展到目前的1/3至1A左右的高功率LED，单颗LED的输入功率高达1W以上，甚至到3W、5W封装方式更进化。最初的单芯片LED的功率不高，发热量有限，热的问题不大，因此其封装方式相对简单。但近年随着LED材料技术的不断突破，LED的封装技术也随之改变，从早期单芯片的炮弹型封装逐渐发展成扁平化、大面积式的多芯片封装模组;其工作电流由早期20mA左右的低功率LED，进展到目前的1/3至1A左右的高功率LED，单颗LED的输入功率高达1W以上，甚至到3W、5W封装方式更进化。由于高亮度高功率LED系统所衍生的热问题将是影响产品功能优劣关键，要将LED元件的发热量迅速排出至周遭环境，首先必须从封装层级(L1&L2)的热管理着手。目前业界的作法是将LED芯片以焊料或导热膏接着在一均热片上，经由均热片降低封装模组的热阻抗，这也是目前市面上最常见的LED封装模组，主要来源有Lumileds、OSRAM、CREE和Nicha等LED国际知名厂商。许多终端的应用产品，如迷你型投影机、车用及照明用灯源，在特定面积下所需的流明量需超过上千流明或上万流明，单靠单芯片封装模组显然不足以应付，走向多芯片LED封装，及芯片直接黏着基板已是未来发展趋势。散热问题是在LED开发用作照明物体的主要障碍，采用陶瓷或散热管是一个有效防止过热的方法，但散热管理解决方案使材料的成本上升，高功率LED散热管理设计的目的是有效地降低芯片散热到最终产品之间的热阻，Rjunction-to-case是其中一种采用材料的解决方案，提供低热阻但高传导性，通过芯片附着或热金属方法来使热直接从芯片传送到封装外壳的外面。当然，LED的散热组件与CPU散热相似，都是由散热片、热管、风扇及热介面材料所组成的气冷模组为主，当然水冷也是热对策之一。以当前最热门的大尺寸LEDTV背光模组而言，40英寸及46英寸的LED背光源输入功率分别为470W及550W，以其中的80%转成热来看，所需的散热量约在360W及440W左右。那麼该如何将这些热量带走?目前业界有用水冷方式进行冷却，但有高单价及可靠度等疑虑;也有用热管配合散热片及风扇来进行冷却，比方说日本大厂SONY的46吋LED背光源液晶电视，但风扇耗电及噪音等问题还是存在。因此，如何设计无风扇的散热方式，可能会是决定未来谁能胜出的重要关键。散热方式一般说来，依照从散热器带走热量的方式，可以将散热器分为主动式散热和被动式散热。所谓的被动式散热，是指通过散热片将热源LED光源热量自然散发到空气中，其散热的效果与散热片大小成正比，但因为是自然散发热量，效果当然大打折扣，常常用在那些对空间没有要求的设备中，或者用于为发热量不大的部件散热，如部分普及型主板在北桥上也采取被动式散热，绝大多数采取主动式散热式，主动式散热就是通过风扇等散热设备强迫性地将散热片发出的热量带走，其特点是散热效率高，而且设备体积小。主动式散热，从散热方式上细分，可以分为风冷散热、液冷散热、热管散热、半导体制冷、化学制冷等等。风冷风冷散热是最常见的散热方式，相比较而言，也是较廉价的方式。风冷散热从实质上讲就是使用风扇带走散热器所吸收的热量。具有价格相对较低，安装方便等优点。但对环境依赖比较高，例如气温升高以及超频时其散热性能就会大受影响。液冷液冷散热是通过液体在泵的带动下强制循环带走散热器的热量，与风冷相比，具有安静、降温稳定、对环境依赖小等等优点。液冷的价格相对较高，而且安装也相对麻烦一些。同时安装时尽量按照说明书指导的方法安装才能获得最佳的散热效果。出于成本及易用性的考虑，液冷散热通常采用水做为导热液体，因此液冷散热器也常常被称为水冷散热器。热管热管属于一种传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点，并且由热管组成的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小等优点。其导热能力已远远超过任何已知金属的导热能力。半导体制冷半导体制冷就是利用一种特制的半导体制冷片在通电时产生温差来制冷，只要高温端的热量能有效的散发掉，则低温端就不断的被冷却。在每个半导体颗粒上都产生温差，一个制冷片由几十个这样的颗粒串联而成，从而在制冷片的两个表面形成一个温差。利用这种温差现象，配合风冷/水冷对高温端进行降温，能得到优秀的散热效果。半导体制冷具有制冷温度低、可靠性高等优点，冷面温度可以达到零下10℃以下，但是成本太高，而且可能会因温度过低导致造成短路，而且现在半导体制冷片的工艺也不成熟，不够实用。化学制冷所谓化学制冷，就是使用一些超低温化学物质，利用它们在融化的时候吸收大量的热量来降低温度。这方面以使用干冰和液氮较为常见。比如使用干冰可以将温度降低到零下20℃以下，还有一些更“变态”的玩家利用液氮将CPU温度降到零下100℃以下(理论上)，当然由于价格昂贵和持续时间太短，这个方法多见于实验室或极端的超频爱好者。材质的选择热传导系数(单位:W/mK)银429铜401金317铝237铁80铅34.81070型铝合金2261050型铝合金2096063型铝合金2016061型铝合金155一般说来，普通风冷散热器自然要选择金属作为散热器的材料。对所选用的材料，希望其同时具有高比热和高热传导系数，从上可以看出，银和铜是最好的导热材料，其次是金和铝。但是金、银太过昂贵，所以，目前散热片主要由铝和铜制成。相比较而言，铜和铝合金二者同时各有其优缺点：铜的导热性好，但价格较贵，加工难度较高，重量过大，且铜制散热器热容量较小，而且容易氧化。另一方面纯铝太软，不能直接使用，都是使用的铝合金才能提供足够的硬度，铝合金的优点是价格低廉，重量轻，但导热性比铜就要差很多。所以在散热器的发展史上也出现了以下几种材质的产品：纯铝散热器纯铝散热器是早期最为常见的散热器，其制造工艺简单，成本低，到目前为止，纯铝散热器仍然占据着相当一部分市场。为增加其鳍片的散热面积，纯铝散热器最常用的加工手段是铝挤压技术，而评价一款纯铝散热器的主要指标是散热器底座的厚度和Pin-Fin比。Pin是指散热片的鳍片的高度，Fin是指相邻的两枚鳍片之间的距离。Pin-Fin比是用Pin的高度(不含底座厚度)除以Fin，Pin-Fin比越大意味着散热器的有效散热面积越大，代表铝挤压技术越先进。纯铜散热器铜的热传导系数是铝的1.69倍，所以在其他条件相同的前提下，纯铜散热器能够更快地将热量从热源中带走。不过铜的质地是个问题，很多标榜“纯铜散热器”其实并非是真正的100%的铜。在铜的列表中，含铜量超过99%的被称为无酸素铜，下一个档次的铜为含铜量为85%以下的丹铜。目前市场上大多数的纯铜散热器的含铜量都在介于两者之间。而一些劣质纯铜散热器的含铜量甚至连85%都不到，虽然成本很低，但其热传导能力大大降低，影响了散热性。此外，铜也有明显的缺点，成本高，加工难，散热器质量太大都阻碍了全铜散热片的应用。红铜的硬度不如铝合金AL6063，某些机械加工(如剖沟等)性能不如铝;铜的熔点比铝高很多，不利于挤压成形(Extrusion)等等问题。铜铝结合技术在考虑了铜和铝这两种材质各自的缺点后，目前市场部分高端散热器往往采用铜铝结合制造工艺，这些散热片通常都采用铜金属底座，而散热鳍片则采用铝合金，当然，除了铜底，也有散热片使用铜柱等方法，也是相同的原理。凭借较高的导热系数，铜制底面可以快速吸收CPU释放的热量;铝制鳍片可以借助复杂的工艺手段制成最有利于散热的形状，并提供较大的储热空间并快速释放，这在各方面找到了的一个均衡点。要提升LED发光效率与使用寿命，解决LED产品散热问题即为现阶段最重要的课题之一，LED产业的发展亦是以高功率、高亮度、小尺寸LED产品为其发展重点，因此，提供具有其高散热性，精密尺寸的散热基板，也成为未来在LED散热基板发展的趋势。现阶段以氮化铝基板取代氧化铝基板，或是以共晶或覆晶制程取代打金线的晶粒/基板结合方式来达到提升LED发光效率为开发主流。在此发展趋势下，对散热基板本身的线路对位精确度要求极为严苛，且需具有高散热性、小尺寸、金属线路附着性佳等特色，因此，利用黄光微影制作薄膜陶瓷散热基板，将成为促进LED不断往高功率提升的重要触媒之一。