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LED散熱材料的選擇及散熱方式的比較

發布時間:2018.07.09 瀏覽:156

散熱是影響LED燈具照明強度的一個主要因素。led燈具比傳統的白熾燈能效高80%,但是其LED組件和驅動器電路散熱量很大。如果這些熱量沒有適當的排放出去,LED燈具的發光度和壽命將會急劇下降。

散熱片能解決低照明度LED燈具的散熱問題。燈具廠商能生產40WLED替代燈以及60WLED替代燈。高照明度LED燈具就會遇到散熱問題。一個散熱片是無法解決75W或者100WLED燈具的散熱問題的。

為了達到理想的照明強度,必須使用主動冷卻技術來解決LED燈具組件釋放的熱量。一些主動冷卻解決方案例如風扇的壽命沒有LED燈具高。為了給高亮度LED燈具提供一個實用的主動冷卻解決方案,散熱技術必須是低能耗的;并且能適用于小型燈具;其壽命要與燈源相似或高于燈源。


1、散熱材料的選擇

要提升LED發光效率與使用壽命,解決LED產品散熱問題即為現階段最重要的課題之一,LED產業的發展亦是以高功率、高亮度、小尺寸LED產品為其發展重點,因此,提供具有其高散熱性,精密尺寸的散熱基板,也成為未來在LED散熱基板發展的趨勢。現階段以氮化鋁基板取代氧化鋁基板,或是以共晶或覆晶制程取代打金線的晶粒/基板結合方式來達到提升LED發光效率為開發主流。在此發展趨勢下,對散熱基板本身的線路對位精確度要求極為嚴苛,且需具有高散熱性、小尺寸、金屬線路附著性佳等特色,因此,利用黃光微影制作薄膜陶瓷散熱基板,將成為促進LED不斷往高功率提升的重要觸媒之一。

1.1材質的選擇

一般說來,普通風冷散熱器自然要選擇金屬作為散熱器的材料。對所選用的材料,希望其同時具有高比熱和高熱傳導系數,從上可以看出,銀和銅是最好的導熱材料,其次是金和鋁。但是金、銀太過昂貴,所以,目前散熱片主要由鋁和銅制成。相比較而言,銅和鋁合金二者同時各有其優缺點:銅的導熱性好,但價格較貴,加工難度較高,重量過大,且銅制散熱器熱容量較小,而且容易氧化。另一方面純鋁太軟,不能直接使用,都是使用的鋁合金才能提供足夠的硬度,鋁合金的優點是價格低廉,重量輕,但導熱性比銅就要差很多。所以在散熱器的發展史上也出現了以下幾種材質的產品:

1.2純鋁散熱器

純鋁散熱器是早期最為常見的散熱器,其制造工藝簡單,成本低,到目前為止,純鋁散熱器仍然占據著相當一部分市場。為增加其鰭片的散熱面積,純鋁散熱器最常用的加工手段是鋁擠壓技術,而評價一款純鋁散熱器的主要指標是散熱器底座的厚度和Pin-Fin比。Pin是指散熱片的鰭片的高度,Fin是指相鄰的兩枚鰭片之間的距離。Pin-Fin比是用Pin的高度(不含底座厚度)除以Fin,Pin-Fin比越大意味著散熱器的有效散熱面積越大,代表鋁擠壓技術越先進。


1.3純銅散熱器

銅的熱傳導系數是鋁的1.69倍,所以在其他條件相同的前提下,純銅散熱器能夠更快地將熱量從熱源中帶走。不過銅的質地是個問題,很多標榜“純銅散熱器”其實并非是真正的100%的銅。

在銅的列表中,含銅量超過99%的被稱為無酸素銅,下一個檔次的銅為含銅量為85%以下的丹銅。目前市場上大多數的純銅散熱器的含銅量都在介于兩者之間。而一些劣質純銅散熱器的含銅量甚至連85%都不到,雖然成本很低,但其熱傳導能力大大降低,影響了散熱性。此外,銅也有明顯的缺點,成本高,加工難,散熱器質量太大都阻礙了全銅散熱片的應用。紅銅的硬度不如鋁合金AL6063,某些機械加工(如剖溝等)性能不如鋁;銅的熔點比鋁高很多,不利于擠壓成形(Extrusion)等等問題。

1.4銅鋁結合技術

在考慮了銅和鋁這兩種材質各自的缺點后,目前市場部分高端散熱器往往采用銅鋁結合制造工藝,這些散熱片通常都采用銅金屬底座,而散熱鰭片則采用鋁合金,當然,除了銅底,也有散熱片使用銅柱等方法,也是相同的原理。憑借較高的導熱系數,銅制底面可以快速吸收CPU釋放的熱量;鋁制鰭片可以借助復雜的工藝手段制成最有利于散熱的形狀,并提供較大的儲熱空間并快速釋放,這在各方面找到了的一個均衡點。

2散熱方式的比較

一般說來,依照從散熱器帶走熱量的方式,可以將散熱器分為主動式散熱和被動式散熱。所謂的被動式散熱,是指通過散熱片將熱源LED光源熱量自然散發到空氣中,其散熱的效果與散熱片大小成正比,但因為是自然散發熱量,效果當然大打折扣,常常用在那些對空間沒有要求的設備中,或者用于為發熱量不大的部件散熱,如部分普及型主板在北橋上也采取被動式散熱,絕大多數采取主動式散熱式,主動式散熱就是通過風扇等散熱設備強迫性地將散熱片發出的熱量帶走,其特點是散熱效率高,而且設備體積小。

主動式散熱,從散熱方式上細分,可以分為風冷散熱、液冷散熱、熱管散熱、半導體制冷、化學制冷等等。

2.1風冷散熱

風冷散熱是最常見的散熱方式,相比較而言,也是較廉價的方式。風冷散熱從實質上講就是使用風扇帶走散熱器所吸收的熱量。具有價格相對較低,安裝方便等優點。但對環境依賴比較高,例如氣溫升高以及超頻時其散熱性能就會大受影響。

2.2液冷散熱

液冷散熱是通過液體在泵的帶動下強制循環帶走散熱器的熱量,與風冷相比,具有安靜、降溫穩定、對環境依賴小等等優點。液冷的價格相對較高,而且安裝也相對麻煩一些。同時安裝時盡量按照說明書指導的方法安裝才能獲得最佳的散熱效果。出于成本及易用性的考慮,液冷散熱通常采用水做為導熱液體,因此液冷散熱器也常常被稱為水冷散熱器。

2.3熱管散熱

熱管屬于一種傳熱元件,它充分利用了熱傳導原理與致冷介質的快速熱傳遞性質,通過在全封閉真空管內的液體的蒸發與凝結來傳遞熱量,具有極高的導熱性、良好的等溫性、冷熱兩側的傳熱面積可任意改變、可遠距離傳熱、可控制溫度等一系列優點,并且由熱管組成的換熱器具有傳熱效率高、結構緊湊、流體阻損小等優點。其導熱能力已遠遠超過任何已知金屬的導熱能力。

2.4半導體制冷


半導體制冷就是利用一種特制的半導體制冷片在通電時產生溫差來制冷,只要高溫端的熱量能有效的散發掉,則低溫端就不斷的被冷卻。


在每個半導體顆粒上都產生溫差,一個制冷片由幾十個這樣的顆粒串聯而成,從而在制冷片的兩個表面形成一個溫差。利用這種溫差現象,配合風冷/水冷對高溫端進行降溫,能得到優秀的散熱效果。半導體制冷具有制冷溫度低、可靠性高等優點,冷面溫度可以達到零下10℃以下,但是成本太高,而且可能會因溫度過低導致造成短路,而且現在半導體制冷片的工藝也不成熟,不夠實用。


2.5化學制冷


所謂化學制冷,就是使用一些超低溫化學物質,利用它們在融化的時候吸收大量的熱量來降低溫度。這方面以使用干冰和液氮較為常見。比如使用干冰可以將溫度降低到零下20℃以下,還有一些更“變態”的玩家利用液氮將CPU溫度降到零下100℃以下(理論上),當然由于價格昂貴和持續時間太短,這個方法多見于實驗室或極端的超頻愛好者。