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LED灯基板热管理

【2016-08-19】 浏览次数:538

        发光二极管(LED)是照明的一种日益流行的来源,因为它们是非常有效的,持久的和可控制的。全球商用LED照明行业预计将在2015年达到$ 26.7十亿和$ 42.7十亿在2020年。

        发光二极管通常被认为相比于白炽灯照明将热效率。通过LED芯片的能量的百分之三十被转换成光,而70%转换为热能。(在白炽灯泡,90%的能量的逸出作为热)。能量作为热量耗散减少了可用于光输出的能量。如果允许建立,热量会最终破坏LED芯片,但是它可以使用导热材料如铜容易地除去。不幸的是,大部分的热导体也电导体,所以在LED芯片必须是电绝缘的,以避免短路的设备。热通常是用含有导热金属和薄介电材料,同时提供必要的电绝缘尽可能有效地传送热的夹层组成的热基底去除。

 

 

        冷却发光二极管,CooLam®热基底包括一个夹层铜箔,聚酰亚胺电介质,和铝散热片或碱(从LED向外移动)的。作为照明制造商已经越来越多地采用这种产品,问题已经出现有关特定应用的最佳配置。例如,什么是涉及使用更大或更小的基础上,不同的铝合金等的成本和性能权衡?在温度是最重要的芯片上的点 - 不能用物理方法测量,因为它是在芯片内部很深。利用ANSYS CFD软件来模拟与广泛的散热基板的配置的一个典型的LED的热传递克服了这一难题。他们开发的应用准则,帮助确定为几乎所有应用的最佳配置。

LED散热挑战

        结温度在LED芯片的心脏必须保持在75℃至85℃,以提供最佳的光输出和寿命。用于冷却LED的传统的方法(由热基底铝为主的FR-4玻璃增强和环氧基材料)是由相对低的热导率的限制。最近,业界移至制成,其中每个组件被设计通过板,它可以通过对流和辐射散发到最佳热传导的三明治的金属芯印刷电路板(MCPCB)。各材料在夹在热性质和几何形状是确定的结温,并最终在LED性能的所有的重要参数。
 

LED测试
        安装背后隐藏的LED和散热基板导热基板上的实验室,黄色LED测试装置安装在灰板

        着手量化特定的热基底结构和设计上的芯片的结温度的影响。它们的LED芯片由若干不同的热基板上冷却进行实验室测量。他们测量在LED芯片尽可能接近到焊盘和也对铝散热片的背面侧的热垫的温度。所述LED被以恒定的电压/电流的直流电源供电; 散热器在自然对流空调房间环境进行冷却。高功率LED灯用5至17瓦的功率级测试。这些LED冷却具有CooLam热基材:

  • 35微米和140微米的两个不同的铜箔散热垫的厚度
  • 两种不同的聚酰亚胺介质0.7 W / mK的和0.24 W / mK的热导率
  • 两种不同的铝制散热1毫米,并提出两种不同的合金为2.5毫米厚度的下沉。该合金具有138瓦/ mK以下,且205 W / mK的热导率

四种不同的测试板的布局也进行了评估:

  • 一个LED和相同足迹散热垫
  • 一个具有扩展的散热垫LED
  • 一个LED和由2英寸的测试板的热垫覆盖完整的3.5英寸
  • 三个LED阵列与具有相同的占位面积的散热片。

对于第一次,能够确定的温度在LED和热基板的任意点。

CFD模型精确地预测结温

        下一步是创建ANSYS CFD模型相匹配的测试设置。ANSYS FLUENT是这个模拟的挑战有以下几个原因的最佳工具。Boussinesq近似自然对流带参数拟合列入流利有助于轻松映射模型,物理测量。该产品的离散坐标辐射模型被用来加热离开通过从透镜辐射的LED建模。该软件还使得易于不同热导率适用于多种材料在模型中。这是通过很容易实现在ANSYS Workbench参数的能力。

        LED及基于其制造商提供的数据阻焊层性能的估计。LED的散热是基于额定壁插头效率 - 与该系统的电功率转换成光功率的能量转换效率。工程师跑瞬时共轭热模拟和比较用热电偶和动态红外热成像的时间历程的结果。仿真被精心选配的CFD模型温柔的实验室室内空气流动进行调整。添加离散坐标模型通过镜头和温暖的表面跟踪辐射损失是细化模拟所需的最终模型的元素。其结果是CFD预测和热电偶测量之间的近乎完美的匹配。

它不可能测量LED的结温度,或者在该导热衬垫的中心,即使温度下直接在LED的中心。因此LED设计工程师通常需要在位于LED的外侧边缘上的焊盘的测量并用其作为在热焊盘的中心的温度的估计值。然后他们使用由LED制造商提供的估计结温度热敏电阻技术规格。与CFD结果验证,杜邦工程师,对于第一次,能够确定的温度在LED和热基板的任意点。他们发现,在焊盘用的温度是15℃比在热焊盘的中心的实际温度以下。仿真表明,以前的方法已基本上低估实际运行条件下的结温。

热火的原因减少的光输出,并会最终破坏芯片。

开发应用准则的应用范围广泛

        提供了有用的指引,仿真结果配置特定客户应用CooLam散热基板。结果表明,使用一个较厚的铝基座具有最大的影响,提供了在结温取决于LED和电介质中使用的类型的功率的12.4℃至12.7 C还原。这一重大的洞察力,工程师们现在考虑增加基础厚度在困难的热管理问题的第一步。使用的铝合金与来自138瓦/ mK的205瓦/ mK的,而不管其他参数的更高的导热率,也有助于降低温度。和0.7 W的高性能电介质/ mK的取决于功率水平和散热器的类型设置一个显著结温度降低,从5.4℃至5.7℃。

led-temp
仿真结果表明,温度绘于LED,散热基板和电路板。

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仿真表明焊盘和导热垫的中心之间的15℃温差。
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铝层厚度对结温的影响有两个功率等级和两种类型的介电材料(LA和LX)

一个LED灯泡采用ANSYS多物理优化

LED灯泡采用ANSYS多物理优化

模拟结果提供的CooLam基板设计变量对LED的结温度的影响第一验证测量。这不可能使用比模拟其他的任何方法确定。高性能的配置的值和使得能够量化它们的各种操作条件下的影响。其结果是,LED性能散热基板,降低功耗,寿命长。