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LED散熱材料的選擇及散熱方式的比較

發(fā)布時(shí)間:2011-11-15

中心議題:

  • LED產(chǎn)品的散熱材料選擇
  • LED產(chǎn)品的散熱方式比較


散熱是影響LED燈具照明強(qiáng)度的一個(gè)主要因素。led燈具比傳統(tǒng)的白熾燈能效高80%,但是其LED組件和驅(qū)動(dòng)器電路散熱量很大。如果這些熱量沒(méi)有適當(dāng)?shù)呐欧懦鋈?,LED燈具的發(fā)光度和壽命將會(huì)急劇下降。

散熱片能解決低照明度LED燈具的散熱問(wèn)題。燈具廠商能生產(chǎn)40W LED替代燈以及60W LED替代燈。高照明度LED燈具就會(huì)遇到散熱問(wèn)題。一個(gè)散熱片是無(wú)法解決75W或者100W LED燈具的散熱問(wèn)題的。

為了達(dá)到理想的照明強(qiáng)度,必須使用主動(dòng)冷卻技術(shù)來(lái)解決LED 燈具組件釋放的熱量。一些主動(dòng)冷卻解決方案例如風(fēng)扇的壽命沒(méi)有LED燈具高。為了給高亮度LED燈具提供一個(gè)實(shí)用的主動(dòng)冷卻解決方案,散熱技術(shù)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(fā)光效率與使用壽命,解決LED產(chǎn)品散熱問(wèn)題即為現(xiàn)階段最重要的課題之一,LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展亦是以高功率、高亮度、小尺寸LED產(chǎn)品為其發(fā)展重點(diǎn),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(lái)在LED散熱基板發(fā)展的趨勢(shì)?,F(xiàn)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(jié)合方式來(lái)達(dá)到提升LED發(fā)光效率為開(kāi)發(fā)主流。在此發(fā)展趨勢(shì)下,對(duì)散熱基板本身的線路對(duì)位精確度要求極為嚴(yán)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(jìn)LED不斷往高功率提升的重要觸媒之一。

1.1 材質(zhì)的選擇

一般說(shuō)來(lái),普通風(fēng)冷散熱器自然要選擇金屬作為散熱器的材料。對(duì)所選用的材料,希望其同時(shí)具有高比熱和高熱傳導(dǎo)系數(shù),從上可以看出,銀和銅是最好的導(dǎo)熱材料,其次是金和鋁。但是金、銀太過(guò)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(shí)各有其優(yōu)缺點(diǎn):銅的導(dǎo)熱性好,但價(jià)格較貴,加工難度較高,重量過(guò)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(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉,重量輕,但導(dǎo)熱性比銅就要差很多。所以在散熱器的發(fā)展史上也出現(xiàn)了以下幾種材質(zhì)的產(chǎn)品:

1.2 純鋁散熱器
純鋁散熱器是早期最為常見(jiàn)的散熱器,其制造工藝簡(jiǎn)單,成本低,到目前為止,純鋁散熱器仍然占據(jù)著相當(dāng)一部分市場(chǎng)。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(shù),而評(píng)價(jià)一款純鋁散熱器的主要指標(biāo)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,F(xiàn)in 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(shù)越先進(jìn)。

1.3 純銅散熱器
銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)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(guò)銅的質(zhì)地是個(gè)問(wèn)題,很多標(biāo)榜“純銅散熱器”其實(shí)并非是真正的100%的銅。在銅的列表中,含銅量超過(guò)99%的被稱(chēng)為無(wú)酸素銅,下一個(gè)檔次的銅為含銅量為85%以下的丹銅。目前市場(chǎng)上大多數(shù)的純銅散熱器的含銅量都在介于兩者之間。而一些劣質(zhì)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(dǎo)能力大大降低,影響了散熱性。此外,銅也有明顯的缺點(diǎn),成本高,加工難,散熱器質(zhì)量太大都阻礙了全銅散熱片的應(yīng)用。紅銅的硬度不如鋁合金AL6063,某些機(jī)械加工(如剖溝等)性能不如鋁;銅的熔點(diǎn)比鋁高很多,不利于擠壓成形( Extrusion )等等問(wèn)題。

1.4 銅鋁結(jié)合技術(shù)
在考慮了銅和鋁這兩種材質(zhì)各自的缺點(diǎn)后,目前市場(chǎng)部分高端散熱器往往采用銅鋁結(jié)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(dāng)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(dǎo)熱系數(shù),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(fù)雜的工藝手段制成最有利于散熱的形狀,并提供較大的儲(chǔ)熱空間并快速釋放,這在各方面找到了的一個(gè)均衡點(diǎn)。
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2 散熱方式的比較

一般說(shuō)來(lái),依照從散熱器帶走熱量的方式,可以將散熱器分為主動(dòng)式散熱和被動(dòng)式散熱。所謂的被動(dòng)式散熱,是指通過(guò)散熱片將熱源LED光源熱量自然散發(fā)到空氣中,其散熱的效果與散熱片大小成正比,但因?yàn)槭亲匀簧l(fā)熱量,效果當(dāng)然大打折扣,常常用在那些對(duì)空間沒(méi)有要求的設(shè)備中,或者用于為發(fā)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(dòng)式散熱,絕大多數(shù)采取主動(dòng)式散熱式,主動(dòng)式散熱就是通過(guò)風(fēng)扇等散熱設(shè)備強(qiáng)迫性地將散熱片發(fā)出的熱量帶走,其特點(diǎn)是散熱效率高,而且設(shè)備體積小。

主動(dòng)式散熱,從散熱方式上細(xì)分,可以分為風(fēng)冷散熱、液冷散熱、熱管散熱、半導(dǎo)體制冷、化學(xué)制冷等等。

2.1 風(fēng)冷散熱
風(fēng)冷散熱是最常見(jiàn)的散熱方式,相比較而言,也是較廉價(jià)的方式。風(fēng)冷散熱從實(shí)質(zhì)上講就是使用風(fēng)扇帶走散熱器所吸收的熱量。具有價(jià)格相對(duì)較低,安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。但對(duì)環(huán)境依賴(lài)比較高,例如氣溫升高以及超頻時(shí)其散熱性能就會(huì)大受影響。

2.2 液冷散熱
液冷散熱是通過(guò)液體在泵的帶動(dòng)下強(qiáng)制循環(huán)帶走散熱器的熱量,與風(fēng)冷相比,具有安靜、降溫穩(wěn)定、對(duì)環(huán)境依賴(lài)小等等優(yōu)點(diǎn)。液冷的價(jià)格相對(duì)較高,而且安裝也相對(duì)麻煩一些。同時(shí)安裝時(shí)盡量按照說(shuō)明書(shū)指導(dǎo)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(dǎo)熱液體,因此液冷散熱器也常常被稱(chēng)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(dǎo)原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì),通過(guò)在全封閉真空管內(nèi)的液體的蒸發(fā)與凝結(jié)來(lái)傳遞熱量,具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠(yuǎn)距離傳熱、可控制溫度等一系列優(yōu)點(diǎn),并且由熱管組成的換熱器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、流體阻損小等優(yōu)點(diǎn)。其導(dǎo)熱能力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。

2.4 半導(dǎo)體制冷
半導(dǎo)體制冷就是利用一種特制的半導(dǎo)體制冷片在通電時(shí)產(chǎn)生溫差來(lái)制冷,只要高溫端的熱量能有效的散發(fā)掉,則低溫端就不斷的被冷卻。在每個(gè)半導(dǎo)體顆粒上都產(chǎn)生溫差,一個(gè)制冷片由幾十個(gè)這樣的顆粒串聯(lián)而成,從而在制冷片的兩個(gè)表面形成一個(gè)溫差。利用這種溫差現(xiàn)象,配合風(fēng)冷/水冷對(duì)高溫端進(jìn)行降溫,能得到優(yōu)秀的散熱效果。半導(dǎo)體制冷具有制冷溫度低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),冷面溫度可以達(dá)到零下10℃以下,但是成本太高,而且可能會(huì)因溫度過(guò)低導(dǎo)致造成短路,而且現(xiàn)在半導(dǎo)體制冷片的工藝也不成熟,不夠?qū)嵱谩?br />
2.5 化學(xué)制冷
所謂化學(xué)制冷,就是使用一些超低溫化學(xué)物質(zhì),利用它們?cè)谌诨臅r(shí)候吸收大量的熱量來(lái)降低溫度。這方面以使用干冰和液氮較為常見(jiàn)。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(tài)”的玩家利用液氮將CPU溫度降到零下100℃以下(理論上),當(dāng)然由于價(jià)格昂貴和持續(xù)時(shí)間太短,這個(gè)方法多見(jiàn)于實(shí)驗(yàn)室或極端的超頻愛(ài)好者。

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