LED路灯技术探讨

许多企业都看好这个朝阳产业的发展空间，特别是半导体户外照明的明显节能优势。近2年一哄而上的诸多企业，在还不甚了解半导体道路照明制作的特点下，模拟、仿造、沿着现今的常规照明路灯多种“蛇头”形状制作，一时间“百家争鸣，百花齐放”的产品纷纷推向市场。经过这两年上路实验情况的检验，大部分的产品均存在不同程度的问题。

具体表现在：

1.由于对LED光源工作条件的要求不甚了解造成光衰减严重甚至于死灯。

本人针对以上问题与大家一起讨论解决方案：
对LED光源的工作环境这个问题的讨论，需具备了解LED的基本常识；其现今大功率LED发光效率约为30％，70％将是热能，需要将其散热处理。大功率白光LED的结温TJ在亮度衰减70％时与寿命的关系可看出：TJ=50℃时，寿命为90000小时，TJ=80℃时，寿命降到34000小时，TJ=115℃时，其寿命只有13300小时了。TJ在散热设计中要提出最大允许结温值TJmax，实际的结温值TJ应小于或等于要求的TJmax，即TJ≤TJmax。

从以上的测试数据图示经测试发光二极管可正常工作的环境温度其结温温度应（＜85℃）。高于此温度范围效率将大大降低，甚至于烧毁。可以看出温度对其直接影响的重要性。特别值得一提的是，对散热材料的热平衡速度要求重视度，造成光源的热得不到有效的处理引起光衰减严重。现在许多生产厂家大功率LED的热沉散热壳体应用基本采用不同的合金铝材料，其导热系数不一，一些材料的散热速率难以满足LED工作条件。不可忽略的铝基板及导热硅胶，硅脂材料的导热环节，使用材料的实际寿命质量，将直接影响LED的工作散热条件。如何减少中间环节，直接与热沉散热近距离接触将热量快速达到平衡的有效散热，是现今高质量的LED灯具产品开发需考虑的方向。

先从材料分析：

金属的热传导系数表：
银 429铜 401金 317铝 237铁 80锡 67铅 34.8
银热传导系数比较好，但缺点就是价格太高，纯铜散热效果则次之，但已经算是非常优秀的了。不过铜也有缺点：造价高、重量重、不耐腐蚀等。所以现在大多数散热片都是采用轻盈坚固的铝材料制作的，其中铝合金的热传导能力最好，好的风冷散热器一般采用铝合金制作。至于铜，目前市场上也出现了纯铜的散热器，铜的导热性能比起铝要快的多，但铜的散热没有铝快，铜可以快速的把热量带走，但无法在短时间内把本身的热量散去，另外铜的可氧化性是铜本身最大的弊病。当铜一旦出现氧化状态，从导热和散热方面都会大大的下降。
从对比上看，最好的散热材料也并不是铝材。铜和铝的对比中形成了一种新型的工艺——铜铝结合。所谓的铜铝结合就是把铜和铝用一定的工艺完美的结合到一块，让铜快速的把热量传给铝，再由大面积的铝把热量散去，这不但增充了铝的导热不及铜，还弥补了铜的散热不如铝，有机的结合从而达到急速传热快速散热的效果。

作为解决办法，
其作用是用来向散热片传导铝基板散发出来的热量，使铝基板温度保持在一个可以稳定工作的水平，防止铝基板因为散热不良而损毁，并延长使用寿命。
导热系数（Thermal Conductivity）
导热系数的单位为W/m?K（或W/m?℃），表示截面积为1平方米的柱体沿轴向1米距离的温差为1开尔文（K=℃+273.15）时的热传导功率。数值越大，表明该材料的热传递速度越快，导热性能越好。
目前主流导热硅脂的导热系数均大于1W/m?K，优秀的可达到6W/m?K以上，是空气的200倍以上。但是和铜铝这些金属材料相比，导热硅脂的导热系数只有它们的1/100左右，换而言之，在整个散热系统中，硅脂层其实是散热瓶颈之所在。对于一个散热系统而言，不仅是散热器的事，导热介质也是很重要的组成部分：
散热系统的总热阻 = 散热器热阻 + 导热介质热阻
值得大家注意的是普通导热硅脂在高温环境中使用一段时间后会出现“干化”或“硬化”现象，将会大大影响散热效果。因此在铝基板与热沉之间的导热环节需重视。
有关人士正研究在热沉材料上进行特殊的陶瓷化处理直接安装线路，经过这样的优化后将会根本解决散热的导热环节。

LED顶棚灯、LED洗墙灯、LED投光灯、LED隧道灯等，一套方案多款灯具。
散热材料，导热环节和科学化的造型结构设计，在现今大功率LED路灯的制作中，值得大家去感悟。从LED路灯市场的置疑甚至排斥，走到了现在的尝试与接纳，我们看到了前景的曙光，但我们还需要一段路要走。随着大功率LED光效的不断提高和硅基LED日新月异的发展，将根本解决半导体照明光源高价格的瓶颈，让我们共同携起手来摸索与探讨，相信在大家的努力下，用第四代光源做出更好的LED路灯照明灯具，取代高压钠路灯这段路不会很远！

归根结底，“铜比铝吸热快，铜没有铝散热快”这句话的科学依据是什么呢？可能诸位能够明确说出来的就很少了，今天小编就给大家讲讲这个现象的根本原理。
　传热系数的通俗定义是“在单位温差下，单位时间内通过单位面积的热量”，单位是J/m2ks，或者W/m2k，其中J是热量单位焦耳，m2表示面积单位平方米，K是温度单位开尔文，也可以用摄氏温标的C代替，s是时间单位秒。从图上看铜的热传导系数约是铝的1.69倍，因此用铜和铝来制造相同截面积的散热器，单位时间内纯铜的比纯铝能从CPU核心带走更多热量，“铜比铝吸热快”，前面半句已经论证完毕。

材料 比热容J/kgK
铝 0.9
银 0.24
铜 0.39
金属比热容对比表

　　而后面半句“铜没有铝散热快”，事实确实如此。证明这个需要引出另一个重要热力学参数：比热。学过中学物理的人都知道比热的定义是“使单位质量的物质温度提升1度需要的热量”，单位是J/kgK。大家也从上面的表中看出铜的比热容比铝要小，铜降低1度的温度，散发的热量应该比铝小，这样说来，铜应该比铝散热快。但是大家也许没注意到铜的密度是8.9kg/m3，而铝的只有是2.7kg/m3，接近铝的3.3倍，因此制成同样体积的散热片，质量方面铜会比铝大近3.3倍，纯铜材质比纯铝材质的热容量还是大将近一半。热容量大了，散热就变得慢了。通过上述理论的说明，“铜没有铝散热快”的原因我们也找到了。

　　这样我们就从根本上明白了“铜比铝吸热快，铜没有铝散热快”的原因。以后在选择散热器的时候，可以运用此理论，如果选择纯铜散热器，应选择配备转速较高，风量较大的风扇产品，避免铜的热量散发不了，产生散热瓶颈。

材料 热传导率K (W/m2K)
银 429
铜 401
金 317
铝 237
金属热传导率对比表

硅化碳导热系数：20大卡/米·小时·度 (随温度变化很小)
其它物理性能如下：
密度：3.2克/厘米3
莫氏硬度：9.5
比 热：0.17千卡/公斤·度
线膨胀系数：5×10-6(m/℃)
化学性质：
有良好的化学稳定性，抗酸能力强。在高温条件下碱性物质对其有侵蚀作用。
在1000℃以上长期使用能与氧气和水蒸气发生如下作用：
①SiC+2O2→Sio2+CO2 ②SiC+4H2O＝Sio2+4H2+CO2
致使元件中SiO2含量逐渐增多，电阻随之缓慢增加，为之老化。如水蒸气过多，会促进SiC氧化，由②式反应产生的H2与空气中的O2给合H2O再反应产生恶性循环，降低寿命。氢气(H2)能使元件机械强度降低。氮气(N2)在1200℃以下能防止SiC氧化1350℃以上与Si发生反应，使SiC分解。氯气(Cl2)能使Sic完全分解。

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铝基板在LED及PCB行业中，大家并不陌生，虽然人人都在强调要求板材的导热要大，要好，热阻要小。但我想很多人对铝基板什么是导热，什么是热阻的具体定义还不是很清楚。

铝基板所谓的导热系数：导热系数又称为热传导系数，热传导率，热导率。它表示物质热传导性能的物理量，是当等温面垂直距离为1m,其温度差为1℃,由于热传导而在1h内穿过1m2面积的热量（千卡）。它的表示单位为：千瓦/米.小时.℃ [kw/(m.h.℃)]

如果需要基板材料担负更大的散热功效，所采用的基板材料要求是具有高导热系数（热传导率）。如果需要通过基板材料能够起到隔绝热的功效，那么就希望所用的基板材料的导热系数越低越好。

铝基板的热阻：定量描述一种物体的导热性能，可以用导热系数，也可以用另外一种特性参数来表达，它就是“热阻”。有关专著提出：导热系数适于表征一种均匀材质的材料的导热性能，而作为多种材料复合的基板材料，它的导热性能更适合于用热阻来定量描述。

在热传导的方式下，物体两侧的表面温度之差（简称温差）是热量传递的推动力。热阻（Rr）等于这种温差（T1-T2)除以热流量（P）。因此，基板材料的热阻越小说明它的导热性越高

高效导热陶瓷基板和垫片, 导热效率高, 导热系数: 24W/M.K; 耐高温/耐高压, 受热均匀, 散热快; 结构简单紧凑, 体积小, 发热元件耐酸碱腐蚀, 经久耐用; 符合欧盟ROHS环保标准.

陶瓷基板DCB是指铜箔在高温下直接键合到氧化铝(AL2Q3)或氮化铝(ALN)陶瓷基片表面( 单面或双面)上的特殊工艺方法。所制成的超薄复合基板具有优良电绝缘性能，高导热特性，优异的软钎焊性和高的附着强度，并可像PCB板一样能刻蚀出各种图形，具有很大的载流能力。因此，DCB基板已成为大功率电力电子电路结构技术和互连技术的基础材料，也是本世纪封装技术发展方向“chip-on-board”技术的基础。