基于烟囱效应的led散热器设计毕业论文(编辑修改稿)

基于烟囱效应的led散热器设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

,而将 LED路灯计划往后搁置。 因此 ,LED照明过高的成本投入 ,也成为了 LED广泛应用的一个技术瓶颈。 （二）、 LED芯片温升的原因 LED 芯片的 基本结构是一个半导体 PN 结。 实验证明当 LED 芯片有电流流过的情况下 ,LED 的 PN结温度将会上升 ,其主要原因是由于加载在 LED 芯片的功率没有全部转化为光能 ,其中约 8090%电能转换为热量 ,从而导致了 LED芯片结温上升【 9】。 具体的原因包括以下四个方面 : 量子效率低 :由 LED的发光原理知道 ,LED的 PN结在外部电压条件下 ,N 区的电子流向 P区 ,电子与空穴复合产生光子。 在正常的情况下 ,由于 PN结不可能极端完美 ,组件的注入效率不能达到 100%,通常称为“电流泄露” ,造成 PN区的载流子的复合效率降低。 泄露电流与电压的乘积就是 LED 芯片转为热量的功率。 目前利用先进的外延技术生产 InGan合金的 LED芯片 ,其内量子效率可以达到 90100%。 【 10】实验研究发现 :LED灯的发光效率随功率的增加而下降主要是由于芯片的温度升高及电流泄露而造成。 LED 结温上升 ,增加了 PN 结载流子非辐射复合几率 ,因此辐射复合几率下降 ,所以随着功率增加 ,LED的发光效率下降。 出光效率低 :实践证明 LED的出光效率低是造成 LED芯片温度上升的主要原因。 目前 LED 7 的外量子效率一般只有 30%左右 ,由于 LED 芯片材料的折射系数比周围的介质的大得多 ,PN结福射复合产生的光子大部分无法顺利溢出 ,在 PN 结内部经过多次反射后被衬底材料或者芯片材料吸收 ,最后都转换为热量 ,促使结温升高。 不良元件电极结构由于元件材料如 :衬底材料、 PN结半导体材料以及导电银胶材料等都具有电阻 ,当 LED 在工作的状态下 ,电流流过这些元件材料时就会产生一定的焦耳热 ,热量的大小可以用焦耳定律进行计算 ,与电流值的平方、串联电阻值以及时间成正比 ,产生的热量引起了 LED芯片的结点温度上升。 LED 元件的散热能力 :LED 元件的散热能力强 ,结点的温度可以控制在较低的水平 ,如果散热能力差 ,结点的温 度则可能超过正常的工作温度要求。 由于环氧树脂的导热系数较小 ,LED 芯片的产生的热量很难通过透明的环氧树脂传递到周围空气中 ,因此热量传递的途径是通过衬底材料、银架材料、管壳、环氧粘合层、 PCB板与热衬底材料向散热器方向传递 ,最后通过散热器的表面将热量散发到环境空气中。 所以热量传递过程中各环节材料的导热系数、散热器与环境换热能力都对 LED结温有影响【 11】。 （三）、温度对 LED芯片性能的影响 如前面所述 ,LED 照明输入的电功率只有约 1015%转换为光 ,其余则转换为热能。 一般地 ,LED 芯片产生的热量需要通过 外部散热器散发到环境空气中 ,如果产生的热量无法顺利转移将会导致以下几个问题【 12】 : 光通量下降：实验研究表明 :LED 结温的上升对蓝色光、黄色光、绿光的 LED 光输出强度均有明显的影响。 金尚忠等利用实验研究了白光 LED照明光源显色指数、发光效率、色坐标、色温和与驱动电流等因素与温度的关系 ,实验结果表明结点温度升髙 ,LED的发光效率明显下降 ,其原因是由于温度上升 ,光波中的蓝波波峰长移 ,焚光粉波峰变平坦而劣化导致。 器件性能衰变：在高温度的条件下 ,LED 照明光输出特性可能会导致一种永久性的不可恢复的变化。 表 1是大 功率 LED的结温与亮度衰减至 70%时的寿命关系。 髙温下 LED性能不可恢复的衰变的原因主要有两个方面 :一是高温条件下 ,材料内部发光区晶体的缺陷增殖、繁衍 ,非辖射复合中心数量增加 ,导致器件的注入效率和发光效率严重降低。 另一方面是杂质在发光区扩散 ,形成的深能级数量增加 ,从而导致器件的性能衰变。 其次 ,在高温下 ,环氧树脂材料发生变性的膨胀与收缩 ,在芯片电路板与引线之间产生额外的压力 ,造成 LED 芯片过度疲劳甚至是脱落 ,影响 LED的工作性能与稳定性。 LED发光波长变化： LED照明发出的光波长一般可以分为两类 ,即主波长和 峰值波长。 主波长反映的是人所感知的颜色 ,而峰值波长则是光强最大的波长。 因此 LED 芯片结温上升导致的 LED 光源发出的光波长发生变化 ,直接影响了人们对光的感受。 研究表明 ,白色光 LED器件 ,在结点温度上升的情况下 ,主波长向长波方向移动 ,统计数据显示 ,LED 器件的波长在结点温度为 10℃ 时将发生红移 49min,最终导致光的输出通量减少 ,焚光粉的吸收效率下降。 结温 Ti/ C 寿命 /h 结温 Ti/ C 寿命 /h 25 234000 85 29500 30 191000 90 25700 35 157000 95 22300 40 129000 100 19500 45 107000 105 17100 50 90000 110 15100 8 55 75000 115 13300 60 64000 120 11700 65 54000 125 10500 70 46000 130 9300 75 39000 130 7500 80 34000 150 6000 表 1大功率 LED的结温与亮度衰减至 70%时的寿命关系 正向电压发生变化： LED 的正向电压作为判断 LED 性能的一个重要参数 ,其数值主要取决于器件的成结合电极制作工艺、芯片的尺寸和半导体材料的特性。 正向电压随着结点温度的升高而下降 ,在较低的结点温度下 ,这种变化是可逆的 ,但是芯片结点的温度过高时 ,在 PN结结区晶体缺陷繁殖 ,杂质扩散加剧 ,增加了额外的复合电流 ,最终造成正向电压下降 ,在恒定电压的情况下 ,结点温升效应与电流增加之间会形成的恶性循环 ,最终导致 LED 器件的损坏。 （四）、 LED散热研究进展 LED是一种注入式电致发光半导体器件 ,在外部电压输入的条件下 ,N区的 电子流向 P区 ,电子与空穴发生复合产生光子 ,产生的光谱中不含有红外光 ,因此 LED芯 片结区产生的热量不能依靠产生的光辐射带走 ,故将 LED 称为冷光源。 在外部电压作用的条件下 ,只有约 1520%的输入电功率转化为可见光 ,其余的输入功率则转为热量。 为了保证 LED照明器件使用寿命与正常工作 ,通常要求将 LED 的 PN 结的温度控制 12℃ 以下。 如前面所述 ,如果结点温度过高将会导致光通量下降 ,波长发生红移 ,器件的寿命减少等问题。 目前随着 LED技术的发展 ,单片芯片的功率由原来的 1W甚至几瓦、几十瓦 ,相应的热流密度 也大大增加 ,因此也销加了 LED 照明热设计的难度 ,使得 LED 散热设计成为了制约 LED照明推广应用的一个技术瓶颈之一，也是国内外一直关注与研究的热点课题之一。 人类对传热的研究已有上百年的历史，传热学及技术已是非常之成熟，就像似成熟的果子，掉到地上被树叶遮盖，不被现在的人们看见，以致当电子行业，主要是计算机中的 CPU发热量突然大增时，人们没有去拔开地面上的树叶，捡起那些熟透的果子，将人类成熟的传热知识移植到电子行业内。 而是另起炉灶，创造出不少新名词：“主动散热”、“被动散热”、“热沉”等听起来不知是什么意思， 英文“ Sink”在传热学及技术中也是非常罕见的名词【 13】。 从传热学和技术来谈， LED散热并非复杂，只涉及到传热学中非常小的部分：导热传热和对流传热（主要是空气自然对流传热），其中导热传热就可利用现成的传热计算机软件，得到非常准确的解，比如分析 LED封装芯片内的温度分布（传热过程）；分析从 LED 芯片到散热肋片的内部温度分布。 但是应特别注意，对于对流传热，凡涉及到空气流动，必须通过大量的实验研究，而用电脑软件计算，只有学术上的意义，没有实际工程意义，因为误差太大。 导致 LED散热简单问题被复杂化的原因有：知识 断层，拥有成熟的传热知识的人员参于到 LED散热研究的甚少，缺乏专业的 LED散热研究机构，给行业内明确正确的指导思想。 目前行业内从业的专业散热技术人员，许多是从计算机散热。