摘 要:针对发光二极管如火如荼的应用,文章重点分析了发光二极管热传导的路径,对比测试了不同基板电路下发光二极管光通量的变化,提出了利于发光二极管散热的电路设计原则。
关键词:发光二极管;电路;散热;光通量
1 引言
1962年,美国人霍洛尼亚柯制成了世界上第一个发光二极管(LED)。随着光效的不断提升、成本的大幅下降和应用技术的成熟,LED得到越来越广泛的应用,在显示、指示、景观、照明、通讯等方面大量使用。
LED突出的一大优势在于长寿命。LED的理论寿命可达10万小时,但实际使用寿命仅几万小时,,甚至几千小时。除LED自身品质外,影响LED实际寿命的主要因素是驱动电流、散热能力和环境条件 [1],而散热能力主要取决于热阻、有效散热面积。
具体到LED照明灯具,其部件主要为LED光源、LED驱动、LED基板、散热器、界面材料和结构件。其中LED基板是连接LED光源和LED驱动的电学中介,也是连接LED光源和散热器的热学中介。近年,出现了镜面金属基板上直接进行LED封装的COB技术,它将LED光源和LED基板融合为COB光源,得到了长足发展、并逐步成熟,但独立LED基板依然以大幅优势广泛存在于LED灯具中。研究LED基板对LED散热影响的现实意义仍然存在。
LED基板包括覆铜层(电路层)、介电层和基材层(有铝、环氧树脂、酚醛树脂等品种)。基板电路设计主要就是针对覆铜层进行平面形状设计,以满足电气需要。但是基板电路还是一个热学中介,普通LED灯具热传导路径如下图[2]。
图中LED基板为铝基板,包括基板电路层(覆铜层)、介电层和铝层。提高这三层的导热能力,无疑会减小热阻,提高LED寿命。尽管基板电路层具有高导热性能,但它毕竟是热传导路径的一分子,对LED散热和光通量维持率一定有所影响,有研究的必要。
LED基板电路层分为导电铜箔和导热铜箔;在满足电气要求状况下,导热铜箔的设计有比较大的自由空间,但无外乎要考虑其形状和面积。由于铜箔得导热性能远远优于各类导热胶(膏或脂类)和铝质热沉,其形状对散热和光通量维持率的影响很小,重点考虑面积因素。
2 不同电路设计下LED光通量的测量
为测量不同电路设计对光通量维持率的影响,我们设计了两款铝基板,如下图。
左款铝基板同右款铝基板的材质和外尺寸、导电铜箔(图中1、2)尺寸和位置完全相同,左款的导热铜箔(图中0)做到了最大化,右款的导热铜箔(图中0)做到了最小化(同普通1W大功率LED的导热底部大小相同)。我们用三点熔锡的方式(上图中1、2、0三点)将某公司同批次零散的白光1W LED焊接于铝基板上,再用相同的导热硅脂将铝基板分别固定于相同的散热器上,最后用LED驱动点亮串联的LED光源。我们通过测量了不同时间下的LED光通量,如下两个表。
3 基板电路设计对光通量的影响
为直观体现基板电路设计对LED光通量的影响,截取表1、表2数据,并统计汇总结果见表3。
从表3可以明显看出,左款基板的18000h光通量维持率较高,高出约10%。也就是大面积导热铜箔的基板设计具有更强的散热能力。
4 基板导热性能对光通量的影响
为直观体现基板导热性能对LED光通量维持率的影响,截取表3数据并作分析,结果见表4。
从表4可以明显看出,大面积导热铜箔基板设计的优越性明显,但应用在导热性能低的基板上优越性更为突出。也就是导热性能低的基板(如酚醛基板、环氧基板)上采用大面积导热铜箔设计的必要性更为重大。
市场上还有很多没有热沉的LED品种,如直插LED、3528等,他们的热量主要靠电极传导,对应基板上的铜箔导热也导电。此类基板的导热铜箔和导电铜箔合二为一,在电路设计上依然要增大面积来明显提高光通量维持率,而且效果显著。
5 结语
基板作为LED和散热器之间的导电通道和导热通道,其作用不容忽视。基板电路设计影响LED光通量维持率,采用大面积导热铜箔设计有利于明显提高光通量维持率,尤其在应用低导热性能的基板和无热沉LED时。
参考文献
[1]钟晓智;LED照明灯具寿命影响因素的研究;科技与企业;2014年第24期
[2]技术中心;浅谈LED光源产品中的热设计;艾比森电子期刊;2013年第46期
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