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淺析LED燈具發(fā)熱及散熱涂料應用

2016-05-03

隨著近些年來LED技術(shù)作為新一代照明技術(shù)受到了廣泛關(guān)注,LED功率加大,散熱問題也就越來越被人重視。志盛威華散熱涂料的研究人員長期觀察發(fā)現(xiàn),這是因為LED的光衰或其壽命是直接和其結(jié)溫有關(guān),散熱不好結(jié)溫就高,壽命就短。

與以往使用的白熾燈和熒光燈不同,它們的能量損失雖大,但是大部分能量都是通過紅外線直接放射出去,光源的發(fā)熱少;而LED,除了作為可視光消耗的能量,其它能量都轉(zhuǎn)換成了熱。又由于近年來,電子產(chǎn)品逐漸向高密度,高集成度發(fā)展,LED產(chǎn)品也不例外,所以解決LED散熱問題成為當今提高LED性能,發(fā)展LED產(chǎn)業(yè)的主要問題。

LED發(fā)熱的原因:

LED發(fā)熱的原因是因為所加入的電能并沒有全部轉(zhuǎn)化為光能,而是一部分轉(zhuǎn)化成為熱能。LED的光效目前只有100lm/W,其電光轉(zhuǎn)換效率大約只有20~30%左右。也就是說大約70%的電能都變成了熱能。

具體來說,LED結(jié)溫的產(chǎn)生是由于兩個因素所引起的:

內(nèi)部量子效率不高,也就是在電子和空穴復合時,并不能100%都產(chǎn)生光子,通常稱為由“電流泄漏”而使PN區(qū)載流子的復合率降低。泄漏電流乘以電壓就是這部分的功率,也就是轉(zhuǎn)化為熱能,但這部分不占主要成分,因為現(xiàn)在內(nèi)部光子效率已經(jīng)接近90%。

內(nèi)部產(chǎn)生的光子無法全部射出到芯片外部而Z后轉(zhuǎn)化為熱量,這部分是主要的,因為目前這種稱為外部量子效率只有30%左右,大部分都轉(zhuǎn)化為熱量了。

就如前文所說雖然白熾燈的光效很低,只有15lm/W左右,但是它幾乎將所有的電能都轉(zhuǎn)化為光能而輻射出去,因為大部分的輻射能是紅外線,所以光效很低,但是卻免除了散熱的問題。

LED的散熱解決方式:

解決LED的散熱,主要從兩個方面入手,封裝前與封裝后,可以理解為LED芯片散熱與LED燈具散熱。Led芯片散熱主要與襯底和電路的選擇與工藝有關(guān),本文暫不闡述。本文主要介紹Led燈具的散熱,因為任何LED都會制成燈具,所以LED芯片所產(chǎn)生的熱量Z后總是通過燈具的外殼散到空氣中去。如果散熱不好,因為LED芯片的熱容量很小,一點點熱量的積累就會使得芯片的結(jié)溫迅速提高,如果長時期工作在高溫的狀態(tài),它的壽命就會很快縮短。然而這些熱量要能夠真正引導出芯片到達外部空氣,要經(jīng)過很多途徑。具體來說,LED芯片所產(chǎn)生的熱,從它的金屬散熱塊出來,先經(jīng)過焊料到鋁基板的PCB,再通過導熱膠才到鋁散熱器。所以LED燈具的散熱實際上包括導熱和散熱兩個部分。

然而LED燈殼散熱依據(jù)功率大小及使用場所,也會有不同的選擇。

現(xiàn)在主要有以下幾種散熱方法:

鋁散熱鰭片:這是Z常見的散熱方式,用鋁散熱鰭片做為外殼的一部分來增加散熱面積。

導熱塑料殼:在塑料外殼注塑時填充導熱材料,增加塑料外殼導熱、散熱能力。

空氣流體力學利用燈殼外形,制造出對流空氣,這是Z低成本的加強散熱方式。

風扇燈殼內(nèi)部用長壽高效風扇加強散熱,造價低,效果好。不過要換風扇就是麻煩些,也不適用于戶外,這種設計較為少見。

導熱管利用導熱管技術(shù),將熱量由LED芯片導到外殼散熱鰭片。在大型燈具,如路燈等這是常見的設計。

表面輻射散熱處理燈殼表面做輻射散熱處理,簡單的就是涂抹志盛威華輻射散熱涂料,可以將熱量用輻射方式帶離燈殼表面。

以下介紹一種新型的散熱涂料:ZS-411輻射散熱降溫涂料,涂料涂層具有高熱傳導率和較大的散熱表面積,同時在相當寬的波長范圍內(nèi)(1-20μm)具有高輻射率,可以顯著提高包括傳導、對流、輻射散熱的綜合性能。

這種涂料采用北京某公司研發(fā)的高性能散熱溶液,該散熱溶液具有較高的可見光和近紅外光反射率、較高的熱紅外發(fā)射率和穩(wěn)定性等特殊性能,同時還具有良好的物理性能、化學性能和良好的施工性多種復合性,該散熱溶液工作原理是靠無機膠體微粒(小于100納米)發(fā)生凝聚而產(chǎn)生結(jié)合力。涂料溶液里添加納米碳管等具有較高的熱傳導率和發(fā)射性的材料,能使涂層表面呈現(xiàn)宏觀光潔微觀粗糙的形貌的納米材料組元,可以大大增加散熱裝置與外界的接觸面積,顯著提升散熱效果。同時加入大量被電子躍遷過的多種尖晶石作為復合紅外輻射體,既增加了雜質(zhì)能級,提高了紅外輻射系數(shù),又保持了相應的熱穩(wěn)定性、耐熱性。

總體來說目前LED的發(fā)光效率還是比較低,從而引起結(jié)溫升高,壽命降低。為了降低結(jié)溫以提高壽命就必須十分重視散熱的問題。


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