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探索LED新型导热技术

放大字体  缩小字体 发布日期:2014-05-04  浏览次数:1057   状态:状态
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展会说明
 ---深圳大学光电工程学院  柴广跃
 
LED在发光的过程中,会产生大量的热量,这些热量如果不能及时的加以排除,就会出现失效的现象,严重者还会直接对LED造成损害。所以,LED要大规模推广,首先必须要解决散热的难题。
LED产生热量的原因:
A、晶格振动产生热量。晶格失配、杂质等缺陷产生大量的非辐射复合中心,内量子效率不会达到100%,非辐射复合中心将注入的载流子能量通过晶格振动而产生大量的热。
B、LED芯片折射率高于空气,极大限制了从有源区发出的光向LED芯片外部的导出,返回芯片内部的光被芯片材料吸收,通过晶格振动的方式产生热。
C、欧姆接触产生的焦耳热,LED芯片各层材料的体电阻、LED芯片电极层与半导体层间的接触电阻、LED芯片电极与焊料间的接触电阻、焊料间的体电阻焊料与热沉的接触电阻等,上述电阻相互叠加构成LED元件的串联电阻,当电流流过P—N结时,同时也会流过这些电阻,从而产生焦耳热,导致LED结温升高。
 
 
 
 
 
QQ截图20140504150946

目前常用的几种封装基板散热能力比较:
①、金属支架管壳:
该种方式材料采用金属支架、钨铜、钼铜及其它模料,固晶材料为环氧树脂类,该方式具有加工简单、价格便宜等优点。不足之处在于易产生“爆米花效应”、如果模料过厚,可靠性好但散热性差,如果模料过薄,又导致散热性好但牢度差、模料耐紫外,潮湿,高低温能力差;金丝跨反光杯,贴片速度较低……
②、陶瓷管壳:
该种方式具有与LED芯片热应力匹配、AlN热导系数较高、精度高,适合批量生产、金丝在反光杯内部,可靠性高等优点,缺点在于LTCC--Al2O3需要热阱、AlN材料成本高、Al2O3 热导系数较低、高温烧结耗能……
③、金属导热PCB基板:
该种方式由铜箔电路/陶瓷粉末和高分子材料/铝基板组成,其中陶瓷粉末和高分子材料是其主要组成部分,陶瓷粉末扮演的是绝缘导热的角色,高分子扮演的是可靠度以及把电路层、散热的绝缘层和铝板三个结合在一起的一个很重要的角色。
优点在于:成本低、易于批量生产、易于加工、特别适合MCM-COB。
缺点在于:高分子材料的可靠性很难把握、减小热阻(增加陶瓷粉的比重)抗剥强度降低、高分子绝缘层不可很薄(一般大于60mm~90 mm)、高低温下的稳定性差。
④、深圳大学MCPCB基板:
该技术采用铝/氧化铝(AlN、金刚石混合物)/钯银(铜金)等物质作为基体材料,以微弧氧化/硬质氧化、物理喷涂、激光熔覆为主要方式,AlxOy/Al约20mm,热阻≈5 K/W,金属化层钯银20mm,单颗、MCM白光LED封装。MCPCB虽然比FR4 PCB散热效果更佳,但MCPCB的介电层却没有太好的热传导率,大体与FR4 PCB相同,仅0.3W/m.K,成为散热块与金属核心板间的传导瓶颈。
⑤、碳复合材料:
气相生长碳纤维(VGCF)方式:在载有铁镍催化剂的陶瓷基板上通入氢气和烃类气体混合物,在1100℃下生成纤维状碳;2600 ℃热处理;预计室温下热导率可达到1260W/mK。VGCF浸入环氧树脂,150 ℃热压成型,块状混合材料热导率可达695W/mK,开发了贴片的新工艺。
存在问题:各向异性的热传导特性,对其下的热沉热导率要求很高;芯片与VGCF界面的热阻过大。
⑥、碳纳米管(CNTs):
CNTs由单层或多层石墨片卷曲而成的无缝纳米管状壳层结构,具有良好的热、电和力学性能;理论计算和实验均已证明碳纳米管具有较高的热导率,Berber等利用分子动力学(MD)模拟计算出单壁碳纳米管(swNT)室温热导率高达6600W/(m•K),Kim等用实验的方法测得多壁碳纳米管(MWNT)的室温热导率达3000W/(m•K)。
存在问题:由于各向异性的热传导特性,对其下的热沉热导率要求很高。
新型散热材料的进展:
a、泡沫碳材料:
制作方法:沥青放入真空室加温融化-输入高压氮气同时升温-沥青泡沫化-800℃硬化-降温降压至自然条件-氮气氛1050 ℃热处理-2800 ℃石墨化处理。
性能:热导率理论值大于2000W/mK、2002年实验值150W/mK、表面积大、重量轻。
散热原理:多孔热交换。
b、气相生长碳纤维(VGCF):
制作方法:VGCF浸入环氧树脂,150 ℃热压成各种翼片型材,其混合材料热导率可达到695W/mK(铝的3.66倍),密度1.48g/cm3(铜的1/6)。
存在的问题:工艺条件苛刻,难度高、成本高(2004年VGCF的价格2200$/Kg)。
总结:
即使达到200lm/W,蓝光LED外量子效率仍然不高,热管理是个长期的任务。未来在LED导热领域,表面贴装型LED是发展的主流,新型高导热基板是基础,高导热固晶胶或共晶焊固晶都会得到持续发展。虽然传统散热片的设计上仍有潜力可挖,但是碳纤维混合物高热导、低重量将会更具吸引力。
LED封装及应用的热设计的出路---将科学散热与艺术美感有机结合。
 
 
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