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蒸气室基础知识及性能测试
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蒸气室基础知识及性能测试

蒸气室基础知识及性能测试

根据Cree XLamp XR-E的测试报告,降低LED温度可以增加其寿命和光通量。
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产品介绍

LED中均热板的散热效果


大功率LED主要问题是“热”

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根据Cree XLamp XR-E的测试报告,降低LED温度可以增加其寿命和光通量。


40mil(1mm²)LED芯片数据

1W芯片:热通量接近100W/CM²

3W芯片:热通量接近300W/CM²


从上面的测试报告和数据可以知道,led发热的问题主要是热密度过高(热点)过热,而不是总热流密度过高。


过热集中在热点上,会影响LED的寿命和光通量。

如何解决热量集中在热点的问题呢?我们发现,高效的散热器可以快速将热量扩散,从而避免热量集中在热点上。而均热板就是一种可以极快带走热量的散热器。其工作原理与热管类似。



均温板的工作原理

蒸气室是一种内部具有柱状结构的真空室,通常由铜制成。

当热量从热源传递到蒸发区时,腔体内的冷却液在低真空环境下受热后开始汽化,此时吸收热能并迅速膨胀,气体中的冷却很快充满整个腔体,当气体工作接触到相对较冷的区域时就会发生冷凝,蒸发过程中所积累的热量通过冷凝现象释放出来,冷凝后的冷却液会通过微结构的毛细通道回到蒸发热源,在腔体内重复这一操作。


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根据均热板的工作原理,我们知道:

1、均热板是二维导热产品,理论上可以在二维平板内传导大量的热量。


2. 均热板可用于照明模块。


A:简单的几何结构——几何形状一般为方形、圆形。


B:表面不易变形——蒸汽室的公差高达0.2毫米。


C:当散热器足够时,温差会较小 - 当散热器将热量散发出去时,温度变化会非常小。


D:Vapor Chamber只能解决热传递的问题,它的传热速度很快,但是还是需要加一个铝制散热片来实现散热。



对比实验

实验1-将LED放在铝制散热器上,点亮10分钟,然后用直流风扇吹5分钟。


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(铝制散热器)



实验2-将LED放在蒸汽室和铝制散热器上,点亮10分钟,然后用直流风扇吹5分钟。


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(铝制散热器上的蒸汽室)



12 瓦 LED


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红外实验1结果(仅使用铝制散热器)

1-1 : 58 度,1-2 : 29 度,1-3 : 28.2 度


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红外线实验2结果(蒸汽室+铝制散热器)

2-1 : 55.2 度,2-2 : 31.2 度,2-3 : 29.2 度



实验总结:

实验2的表面温度比实验1低3度。

均热板增强了LED的传热效果。


10W热电阻

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红外实验1结果(仅使用铝制散热器)

1-1 : 80.4 度 1-2 : 57.6 度 1-3 : 55.5 度


红外线实验2结果(蒸汽室+铝制散热器)

2-1 : 67.1 度 2-2 : 57.6 度 2-3 : 56.2 度



实验总结:

实验二中芯片表面温度比实验一中降低了0.3度,可见均热板确实增强了芯片的热传导,降低了热阻。



10W瞬时热电阻

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红外实验1结果(仅使用铝制散热器)

{{0}}: 29.5 度 1-2 :30.0 度 1-3 : 30.1 度


红外线实验2结果(蒸汽室+铝制散热器)

2-1 : 31.5 度 2-2 :32.2 度 2-3 : 32.2 度



实验总结:

使用均热板的实验2在芯片温度方面明显优于实验1,在工作1-10分钟时,温度变化维持在13-15oC。这意味着使用均热板可以降低芯片与散热器之间的热阻,在同样的通电条件下,可以降低结温。


实验结论:均热板增强了芯片的热传导,降低了热阻



如何在大功率 LED 上应用蒸汽室?

方案A:将多个LED芯片直接密封并安装在均热板上


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大功率LED(50W多颗直焊均热板)与(50W多颗直焊铜板)对比实验


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(50W多芯片直接焊接到均热板上)


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(50W多芯片直接焊接在铜板上)


实验数据

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(通道0~3:芯片温度 通道4~5:散热器温度)


均热板芯片温度比铜板低30度

均热板可以使LED的温度更低,使用同样的散热器散热时,温差在30度左右。


均热板可以保证电路板上每个芯片的温度一致,如果采用铜板散热,中心芯片的温度会远高于周边芯片,影响芯片的寿命。


将 LED 芯片直接焊接在均热板上的优点:

1.降低芯片结温,延长芯片寿命

2.可以使芯片更加聚焦,更利于灯具的整体设计

3. 实现高功率多芯片封装



解决方案B:将PCB印刷在蒸汽室内,并通过SMT(表面贴装技术)将LED安装在蒸汽室内。


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Cree XRE系列芯片应用于均热板的原型


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采用SMT技术,均热板与铝板散热测试数据


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均热板散热更均匀,传导更快。


通过两个测试,我们知道:


蒸汽室可承受 170 度


蒸气室不受形状限制


均热板的散热是通过毛细孔进行的


蒸汽室厚度至少3MM


蒸汽室MBTF超过86,400小时。


蒸汽室可承受从 -40 度到 110 度的 200 多次热冲击


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