1、大功率LED的散熱設(shè)計方案近年來，大功率LED發(fā)展較快，在結(jié)構(gòu)和性能上都有較大的改進(jìn)，產(chǎn)量上升、價格下降；還開發(fā)出單顆功率為100W的超大功率白光LED。與前幾年相比較，在發(fā)光效率上有長足的進(jìn)步。例如，Edison公司前幾年的20W白光LED，其光通量為700lm，發(fā)光效率為35lm/W。2007年開發(fā)的100W白光LED，其光通量為6000lm，發(fā)光效率為60lm/W。又例如，Lumiled公司最近開發(fā)的K2白光LED，與其、系列同類產(chǎn)品比較如表1所示。從表中可以看出：K2白光LED在光通量、最大結(jié)溫、熱阻及外廓尺寸上都有較大的改進(jìn)。Cree公司新推出的XLamp XRE冷白光LED，其最高

2、亮度擋QS在350mA時光通量可達(dá)107114lm。這些性能良好的大功率LED給開發(fā)LED白光照明燈具創(chuàng)造了條件。前幾年，各種白光LED照明燈具主要是采用小功率5白光LED來做的。如15W的燈泡、1520W的管燈及4060W的路燈、投射燈等。這些燈具使用了幾十到幾百個5白光LED，生產(chǎn)工藝復(fù)雜、可靠性差、故障率高、外殼尺寸大，并且亮度不足。為改進(jìn)上述缺點，這幾年逐步采用大功率白光LED來替代5白光LED來設(shè)計新型燈具。例如，用18個2W的白光LED做成的街燈，若采用5白光LED則要幾百個。另外，用一個1.25W的K2系列白光LED，可做成光通量為65lm的強(qiáng)光手電筒，照射距離可達(dá)幾十米。若采用

3、5白光LED來做則是不可能的。圖1 結(jié)溫TJ與相對出光率關(guān)系圖用大功率LED做的燈具其價格比白熾燈、日光燈、節(jié)能燈要高得多，但它的節(jié)能效果及壽命比其他燈具也高的多。如果在路燈系統(tǒng)及候機(jī)大廳、大型百貨商場或超市、高級賓館大堂等用電大戶的公共場所全部采用LED燈具，其一次性投資較高，但長期的節(jié)電效果及經(jīng)濟(jì)性都是值得期待的。在節(jié)能和環(huán)保兩大需求的強(qiáng)力推動下LED的應(yīng)用己從早年的指示、顯示和裝飾逐步走向照明領(lǐng)域。大功率LED照明的實現(xiàn)方法主要有兩種：一是直接封裝5W以上的超大功率LED芯片二是通過多顆LED組合成超大功率LED陣列。超大功率LED芯片主要從國外或臺灣進(jìn)口價格很高。相比之下小功率芯片不僅

4、國內(nèi)貨源充足組合成同樣的功率價格也相對較低1。除此之外多芯片LED陣列還有獨特的優(yōu)勢：通過不同LED芯片的串并聯(lián)組合可以實現(xiàn)各種不同的額定電壓和電流更好地適應(yīng)驅(qū)動器設(shè)計單位面積的芯片數(shù)可多可少可以封裝成各種不同的點和面光源可以加入不同顏色的發(fā)光芯片實現(xiàn)情景照明。目前比較成熟的商品化的大功率LED輸入功率一般為1W芯片面積1mm1mm其熱流密度達(dá)到了100W/cm2。如此高的熱流密度如不采取有效的散熱措施會使LED芯片結(jié)溫過高減少芯片出射的光子發(fā)光效率降低另一方面結(jié)溫的升高還會使芯片的發(fā)射光譜發(fā)生紅移色溫質(zhì)量下降尤其是對基于藍(lán)光LED激發(fā)熒光粉的白光LED器件更為嚴(yán)重?zé)晒夥鄣霓D(zhuǎn)換效率也會隨著溫度

5、升高而降低2。因此對大功率LED進(jìn)行散熱研究具有重要的理論和工程價值。目前主要采用13W大功率白光LED作照明燈，因為其發(fā)光效率高、價格低、應(yīng)用靈活。大功率LED的散熱問題通過分析不同封裝、熱沉材料及散熱方式對LED熱分布與最大散熱能力的影響，指出解決LED散熱問題的關(guān)鍵不是尋找高熱導(dǎo)率的材料，而是改變LED的散熱結(jié)構(gòu)或者散熱方式。光電子散熱技術(shù)，同普通IT散熱一樣，傳統(tǒng)的冷卻方式包括：（1）帶有或不帶風(fēng)扇的金屬散熱器；（2）帶有或不帶風(fēng)扇的熱管（或均溫板 vapor chamber）與散熱片結(jié)合的散熱器。另一種可選方案是高熱流密度熱控制的液冷技術(shù)。盡管如此，上面提到的幾種方式都各自存在固有的

6、缺點，妨礙它們在大功率電子裝置散熱中的應(yīng)用。例如，帶風(fēng)扇的散熱片方式，如果增大散熱量，則必須加大散熱面積或是增加風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，其后果是散熱片超重或是系統(tǒng)噪聲令人難以忍受。同時，脆弱的芯片所受壓力也會增大。盡管結(jié)合熱管可以改善散熱片的傳熱性能，但對于大功率電子散熱，其結(jié)構(gòu)會變得過于復(fù)雜而無法應(yīng)用，特別是對于超大功率散熱更是如此。對于液冷方式，眾所周知，是一種在散熱能力和整體熱阻方面相比空氣直接冷卻要高級的冷卻方式。但現(xiàn)階段，液泵的壽命和運(yùn)行中的泄漏問題是這種技術(shù)在工業(yè)上進(jìn)行商業(yè)推廣的兩個重要瓶頸。另外，一個閉路液冷散熱器及其在設(shè)備中的安裝都是很復(fù)雜的而且成本很高。通過對芯片外延結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，使用表面

7、粗化技術(shù)等提高芯片內(nèi)外量子效率，減少無輻射復(fù)合產(chǎn)生的晶格振蕩，從根本上減少散熱組件負(fù)荷；通過優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)、材料，選擇以鋁基為主的金屬芯印刷電路板（MCPCB），使用陶瓷、復(fù)合金屬基板等方法，加快熱量從外延層向散熱基板散發(fā)。多數(shù)廠家還建議在高性能要求場合中使用散熱片，依靠強(qiáng)對流散熱等方法促進(jìn)大功率LED散熱。盡管如此，單個LED產(chǎn)品目前也僅處于110 W級的水平，散熱能力仍亟待提高。相當(dāng)多的研究將精力集中于尋找高熱導(dǎo)率熱沉與封裝材料，然而當(dāng)LED功率達(dá)到lO W以上時，這種關(guān)注遇到了相當(dāng)大的阻力。即使施加了風(fēng)冷強(qiáng)對流方式，犧牲了成本優(yōu)勢，也未能獲得令人滿意的變化。LED是個光電器件，其工作過程中

8、只有15%25%的電能轉(zhuǎn)換成光能，其余的電能幾乎都轉(zhuǎn)換成熱能，使LED的溫度升高。在大功率LED中，散熱是個大問題。例如，1個10W白光LED若其光電轉(zhuǎn)換效率為20%，則有8W的電能轉(zhuǎn)換成熱能，若不加散熱措施，則大功率LED的器芯溫度會急速上升，當(dāng)其結(jié)溫（TJ）上升超過最大允許溫度時（一般是150），大功率LED會因過熱而損壞。因此在大功率LED燈具設(shè)計中，最主要的設(shè)計工作就是散熱設(shè)計。表2 大功率白光LED結(jié)溫Tj在亮度衰減70%時與壽命的關(guān)系另外，一般功率器件（如電源IC）的散熱計算中，只要結(jié)溫小于最大允許結(jié)溫溫度（一般是125）就可以了。但在大功率LED散熱設(shè)計中，其結(jié)溫TJ要求比125

9、低得多。其原因是TJ對LED的出光率及壽命有較大影響：TJ越高會使LED的出光率越低，壽命越短。圖2 K2系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1是K2系列白光LED的結(jié)溫TJ與相對出光率的關(guān)系曲線。在TJ=25時，相對出光率為1；TJ=70時相對出光率降為0.9；TJ=115時，則降到0.8了。表2是Edison公司給出的大功率白光LED的結(jié)溫TJ在亮度衰減70%時與壽命的關(guān)系（不同LED生產(chǎn)廠家的壽命并不相同，僅做參考）。圖3 NCCWO22的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在表2中可看出：TJ=50時，壽命為90000小時；TJ=80時，壽命降到34000小時；TJ=115時，其壽命只有13300小時了。TJ在散熱設(shè)計中要提出最大允

10、許結(jié)溫值TJmax,實際的結(jié)溫值TJ應(yīng)小于或等于要求的TJmax,即TJTJmax。圖4 LED與PCB焊接圖大功率LED的散熱路徑大功率LED在結(jié)構(gòu)設(shè)計上是十分重視散熱的。圖2是Lumiled公司K2系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、圖3是NICHIA公司NCCW022的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。從這兩圖可以看出：在管芯下面有一個尺寸較大的金屬散熱墊，它能使管芯的熱量通過散熱墊傳到外面去。圖5 雙層敷銅層散熱結(jié)構(gòu)大功率LED是焊在印制板（PCB）上的，PCB（PrintedCircuitBoard），中文名稱為印制電路板，又稱印刷電路板、印刷線路板，是重要的電子部件，是電子元器件的支撐體，是電子元器件電氣連接的提供者。由于它

11、是采用電子印刷術(shù)制作的，故被稱為“印刷”電路板。如圖4所示。散熱墊的底面與PCB的敷銅面焊在一起，以較大的敷銅層作散熱面。為提高散熱效率，采用雙層敷銅層的PCB，其正反面圖形如圖5所示。這是一種最簡單的散熱結(jié)構(gòu)。圖6 散熱路徑圖熱是從溫度高處向溫度低處散熱。大功率LED主要的散熱路徑是：管芯散熱墊印制板敷銅層印制板環(huán)境空氣。若LED的結(jié)溫為TJ，環(huán)境空氣的溫度為TA,散熱墊底部的溫度為Tc（TJTcTA），散熱路徑如圖6所示。在熱的傳導(dǎo)過程中，各種材料的導(dǎo)熱性能不同，即有不同的熱阻。若管芯傳導(dǎo)到散熱墊底面的熱阻為RJC（LED的熱阻）、散熱墊傳導(dǎo)到PCB面層敷銅層的熱阻為RCB、PCB傳導(dǎo)到環(huán)

12、境空氣的熱阻為RBA,則從管芯的結(jié)溫TJ傳導(dǎo)到空氣TA的總熱阻RJA與各熱阻關(guān)系為：RJA=RJC+RCB+RBA各熱阻的單位是/W。當(dāng)熱量在物體內(nèi)部以熱傳導(dǎo)的方式傳遞時，遇到的熱阻稱為導(dǎo)熱熱阻。對于熱流經(jīng)過的截面積不變的平板，導(dǎo)熱熱阻為L/（kA）。其中L為平板的厚度，A為平板垂直于熱流方向的截面積，k為平板材料的熱導(dǎo)率?？梢赃@樣理解：熱阻越小，其導(dǎo)熱性能越好，即散熱性能越好。如果LED的散熱墊與PCB的敷銅層采用回流焊焊在一起，則RCB=0，則上式可寫成：RJA=RJC+RBA散熱的計算公式若結(jié)溫為TJ、環(huán)境溫度為TA、LED的功耗為PD,則RJA與TJ、TA及PD的關(guān)系為：RJA=（TJ

13、TA）/PD （1）式中PD的單位是W。PD與LED的正向壓降VF及LED的正向電流IF的關(guān)系為：PD=VFIF （2）如果已測出LED散熱墊的溫度TC，則（1）式可寫成：RJA=（TJTC）/PD+（TCTA）/PD則RJC=（TJTC）/PD （3）RBA=（TCTC）/PD （4）在散熱計算中，當(dāng)選擇了大功率LED后，從數(shù)據(jù)資料中可找到其RJC值；當(dāng)確定LED的正向電流IF后，根據(jù)LED的VF可計算出PD；若已測出TC的溫度，則按（3）式可求出TJ來。在測TC前，先要做一個實驗板（選擇某種PCB、確定一定的面積）、焊上LED、輸入IF電流，等穩(wěn)定后，用K型熱電偶點溫度計測LED的散熱墊溫

14、度TC。在（4）式中，TC及TA可以測出，PD可以求出，則RBA值可以計算出來。若計算出TJ來，代入（1）式可求出RJA。這種通過試驗、計算出TJ方法是基于用某種PCB及一定散熱面積。如果計算出來的TJ小于要求（或等于）TJmax，則可認(rèn)為選擇的PCB及面積合適；若計算來的TJ大于要求的TJmax，則要更換散熱性能更好的PCB，或者增加PCB的散熱面積。另外，若選擇的LED的RJC值太大，在設(shè)計上也可以更換性能上更好并且RJC值更小的大功率LED，使?jié)M足計算出來的TJTJmax。這一點在計算舉例中說明。各種不同的PCB目前應(yīng)用與大功率LED作散熱的PCB有三種：普通雙面敷銅板（FR4）、鋁合金

15、基敷銅板（MCPCB）、柔性薄膜PCB用膠粘在鋁合金板上的PCB。MCPCB的結(jié)構(gòu)如圖7所示。各層的厚度尺寸如表3所示。圖7 MCPCB結(jié)構(gòu)圖其散熱效果與銅層及金屬層厚如度尺寸及絕緣介質(zhì)的導(dǎo)熱性有關(guān)。一般采用35m銅層及1.5mm鋁合金的MCPCB。柔性PCB粘在鋁合金板上的結(jié)構(gòu)如圖8所示。一般采用的各層厚度尺寸如表4所示。13W星狀LED采用此結(jié)構(gòu)。采用高導(dǎo)熱性介質(zhì)的MCPCB有最好的散熱性能，但價格較貴。表4 柔性PCB各層厚度尺寸圖8 散熱層結(jié)構(gòu)圖計算舉例這里采用了NICHIA公司的測量TC的實例中取部分?jǐn)?shù)據(jù)作為計算舉例。已知條件如下：LED：3W白光LED、型號MCCW022、RJC=

16、16/W。K型熱電偶點溫度計測量頭焊在散熱墊上。PCB試驗板：雙層敷銅板（4040mm）、t=1.6mm、焊接面銅層面積1180mm2背面銅層面積1600mm2。LED工作狀態(tài)：IF=500mA、VF= 3.97V。按圖9用K型熱電偶點溫度計測TC，TC=71。測試時環(huán)境溫度TA= 25。1.TJ計算TJ=RJCPD+TC=RJC（IFVF）+TCTJ=16/W（500mA3.97V）+71=103圖9 TC測量位置圖2.RBA計算RJA=（TCTA）/PD=（7125）/1.99W=23.1/W3.RJA計算RJA=RJC+RBA=16/W+23.1/W=39.1/W如果設(shè)計的TJmax=9

17、0，則按上述條件計算出來的TJ不能滿足設(shè)計要求，需要改換散熱更好的PCB或增大散熱面積，并再一次試驗及計算，直到滿足TJTJmax為止。另外一種方法是，在采用的LED的RJC值太大時，若更換新型同類產(chǎn)品RJC=9/W（IF=500mA時VF=3.65V），其他條件不變，TJ計算為：TJ=9/W（500mA3.65V）+71=87.4上式計算中71有一些誤差，應(yīng)焊上新的9/W的LED重新測TC（測出的值比71略?。?。這對計算影響不大。采用了9/W的LED后不用改變PCB材質(zhì)及面積，其TJ符合設(shè)計的要求。PCB背面加散熱片若計算出來的TJ比設(shè)計要求的TJmax大得多，而且在結(jié)構(gòu)上又不允許增加面積時，可考慮將PCB背面粘在“”形的鋁型材上（或鋁板沖壓件上），或粘在散熱片上，如圖10所示。這兩種方法是在多個大功率LED的燈具設(shè)計中常用的。例如，上述計算舉例中，在計算出TJ=103的PCB背后粘貼一個10/W的散熱片，其TJ降到80左右。圖10 “”形鋁型材這里要說明的是，上述TC是在室溫條件下測得的（室溫一般1530）。若LED燈使用的環(huán)境溫度TA大于室溫時，則實際的TJ要比在室溫測量后計算