北科大新闻网-李成明教授团队研制的金刚石扩热板成功应用于北斗系列卫星

近日,中国卫星导航系统管理办公室在国务院新闻办公室新闻发布会上宣布,北斗三号基本系统建成,提供全球服务,这标志着北斗系统正式从区域走向全球。巴基斯坦的交通运输、港口管理,印尼的土地规划、海岸线测绘,中

近日,中国卫星导航系统管理办公室在国务院新闻办公室新闻发布会上宣布,北斗三号基本系统建成,提供全球服务,这标志着北斗系统正式从区域走向全球。巴基斯坦的交通运输、港口管理,印尼的土地规划、海岸线测绘,中俄的农业自动化……从光耀亚太,到拥抱全球,北斗与世界分享中国“奇迹”。

相对传统光源,LED具有的技术优点还包括长寿命、响应快、潜在高光效、体积小以及窄光谱等优点。但究其本质,在这众多的优点中,潜在的高光效、体积小和窄光谱这三点最为关键,这使得LED有别于传统光源,并拓宽了它在多种领域的应用。但是也正是由于其体积小、高光效的特点,使得LED仍存在应用的障碍散热问题。依照目前的半导体制造技术,大功率LED只能将约15%的输入功率转化为光能,而其余85%转化成了热能。如果没有良好的散热方法,芯片的热量散不出去,将使芯片失效。

自去年11月我国发射北斗三号首发双星开始,
一年19星,北斗三号系统用惊人的速度再次刷新了星座部署的记录。在这一系列的卫星发射中,我校新材料技术研究院李成明教授科研团队做出了特殊贡献,使中国航天器散热又获得一个新突破。

散热成LED开发必须解决难题

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如果LED芯片的热量不能散出去,会加速芯片的老化,还可能导致焊锡的融化,使芯片失效。

图1 一箭双星发射现场

LED发光是靠电子在能带间跃迁产生的,其光谱中不含红外光,LED的热量不能靠辐射散出,因此LED被称为冷光源。LED一般采用环氧树脂封装,环氧树脂的导热能力非常差,热量只能靠芯片下面的引脚散出。传统亮度的LED因为发光功率小,热量也不大,故没有散热问题。而功率型LED用在照明上需要将多颗LED组成光源模块以达到所需的光通量。对于大功率器件来说,其输入功率1W,而芯片尺寸则为lmmlmm~2.5mm2.5mm之间,芯片的功率密度很大,因此必须在较小的LED封装中处理极高的热量。目前LED的取光效率仅能达到10%~20%,还有80%~90%的能量转换成了热能。如果LED芯片的热量不能散出去,会加速芯片的老化,还可能导致焊锡的融化,使芯片失效,具体表现为:

鉴于电子器件发展迅速,新一代导航卫星、载人飞船的高能电源组件热流密度极高,几乎可达到甚至超过500W/cm2,同时由于空间环境影响,热控元件要求小而轻,这使得传统的换热方式难以平衡体积小、散热快两项关键要求。随之极可能出现电子器件集成系统因散热不足导致器件失效,直至毁灭性破坏的结果。为解决航天领域超高热流密度元件的散热问题,我校李成明教授团队研制的金刚石膜扩热片作为北斗导航卫星相控阵组件的核心热管理元件进入太空,目前在轨运行稳定,表现良好。在北斗三号系统中前后共有3颗导航卫星装载此热控元件上天。

一是发光强度降低。随着芯片结温的升高,芯片的发光效率也会随之降低,芯片结温越高,发光强度下降越快。

时间紧、任务重、风险高,为了完成这项超高热流密度器件散热任务,李成明教授团队承受着极大压力,付出了艰辛的努力。于2016年2月通过了金刚石膜作为组网星高导热器件的评审,历时一年半,交付了几百件合格样品。为了确保产品质量,团队在生产工艺、产品加工、表面修饰等过程中不断调整进步,最终在团队的齐心协作以及绝不动摇的信心和决心下,成功的完成了这项任务,为中国航天领域提供了一种解决极高热流密度热排散的最佳方案!

二是发光主波长偏移,致使光转换效率下降。

此项研究成果与传统热沉材料相比优势显著:利用金刚石的极高热导率,快速降低组件温度;明显缩小TR模块间的温度梯度,实现等温化;长期工作耐受温度高,提高热控元件的使用寿命;明显降低热控元件的重量,在高导热的同时具备重量优势。

三是加速LED的光衰,严重降低LED的寿命。

李成明教授团队在国内外金刚石领域有着重要影响,多年来一直瞄准金刚石领域发展前沿,实现了和国家重大需求紧密结合,是一支硕果累累的科研团队。

所以,功率型LED芯片散热问题成为当前LED技术在照明工程中应用的障碍。

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为保证功率型LED的正常工作,需通过有效的散热设计,保证LED的工作结温在允许温度范围内。散热能力越强,结温越低。

图2 2016年6月26日长征七号火箭发射

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在国防装备领域中,该团队所研制的金刚石微槽道散热器目前已成功应用在2016年6月26日搭载长征七号运载火箭飞行的多用途飞船缩比返回舱。将金刚石的极高导热率和微槽道增大换热面积的优点结合,在轨飞行实验表明,金刚石微槽道可承受的最高热流密度高达500W/cm2,能够满足极高热流密度航天器散热要求。此研制成果不仅在热管理领域取得极大突破,在金刚石领域也是一鸣惊人,成型金刚石微槽道散热器的金刚石膜厚度要求3mm以上,这在国内乃至世界范围的金刚石厚膜生长都是一项重大成就,明显带动超硬材料微纳加工、金刚石半导体工艺等领域技术发展,并强力冲击钛合金、铝镁合金高精度加工领域中金刚石复合材料的应用!

LED照明系统的散热问题主要有两个方面:一是LED功率芯片内的散热(导热),涉及到器件的封装技术;二是LED功率芯片的外部散热,主要涉及基板导热、翅片散热器及其与环境空气的对流换热。目前,在解决功率型LED照明系统的散热问题上主要采用的方法有:调整LED的间距、自然对流散热、加装风扇或是水冷强制散热、热管和回路热管散热等。

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在现今LED集成高密度,产热量高热流量的发展趋势下,借助热管的高效输热来实现快速散热就变得非常必要。另外,现有散热装置强调热传导环节、忽视对流散热环节,尽管众多的厂家考虑了各种各样的措施来改善热传导环节:如采用热管、加导热硅脂等,却没有意识到热量最终还是要依靠灯具的外表面带走,忽视了传热的均衡性,如果翅片的温度分布严重不均匀,将会导致其中部分翅片(温度较低的部分)效率大大降低。现有针对LED照明的散热装置仍局限于功率较低LED照明元件,并且效果不明显,成本高,不易应用于实际生产。

图3 金刚石微槽道散热器应用回路

内外部散热相互作用决定LED散热性能

为推动金刚石在国防科技、电子器件等领域的广泛应用,李成明教授科研团队仍将秉承着“开放、合作、竞争、进步”的方针,不断推进技术突破和原始创新,在中国智造这条大道上继续前进!

用于加快芯片热量散发的方法包括采用倒装焊、使用导热性能良好的粘接材料、使用散热器等。

(责编:郝慧鹏、邢华超)

糖果派对官网,LED散热技术主要包括两个方面:一是LED功率芯片的内部传热,涉及器件的封装技术,因为封装必然产生内部热阻,这个热阻的大小决定了结温与金属底座(支架)的温差(在给定功率条件下);二是LED功率芯片的外部散热,也就是LED产生的热最终必然要散发到空气中去,需要基板导热、翅片散热器及其与环境空气的对流换热。外部散热与内部散热相互作用决定了LED照明器具的散热性能。

对于LED功率芯片的内部传热,增强功率型LED散热能力的核心目标是降低LED结温,一般要控制在85℃以下。

LED功率芯片的内部传热主要是从LED内部热阻计算入手来进一步探讨和改进LED封装技术。LED作为半导体器件,主要以结温和内部热阻来体现它的热学特性。

在LED芯片的制作与封装方面,用于加快芯片热量散发的方法包括采用倒装焊、使用导热性能良好的粘接材料、使用散热器等。

倒装焊芯片结构的出现很大提高了功率型LED的散热能力和出光效率。

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无论采用哪种焊接方式,芯片都需通过粘接材料粘接到金属热沉上,所以粘接材料不仅要热导率更高,更要厚度小才能显著降低倒装焊LED的热阻,提高器件的散热能力。近年来封装结构良好的功率型LED元件,其总热阻已经降为6℃~10℃/W。

对于LED功率芯片的外部散热,目前常用电子器件的散热技术按从热沉带走热量的方式分为自然风冷、强制风冷、强制液冷。

由于LED散热的特殊性(高价值、维护成本高、工作时间长、防护等级高等),目前LED通过热沉散热的主要方式最可靠的是自然风冷。但由于自然风冷的换热系数较低,为了满足大功率LED的散热,通常只能通过加大与空气换热的热沉表面积(翅片面积)来实现换热量的提高。另外由于电子器件的温度不高,无论使用何种表面材料(辐射率最高为接近于1),辐射散热在相对好的自然散热模组中最大不会超过总换热量的10%左右,且技术相对单一且成熟,在此不讨论。

从理论上讲,如果使用每颗功率较低的分散LED且每颗LED热沉的散热面积足够大,则LED照明系统的散热就不成为技术问题。但由此会产生LED的重量、配光、造型等各方面的实际问题,因此,对于超大功率LED(尤其是聚光灯、工矿灯及大功率路灯),散热就成为了LED照明系统的主要技术问题。

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