散熱技術(shù)0001

1、LED的散熱現(xiàn)在越來越為人們所重視，這是因?yàn)長ED的光衰或其壽命是直接和其結(jié)溫有關(guān)，散熱不好結(jié)溫就高，壽命就短，依照阿雷紐斯法則溫度每降低10C壽命會(huì)延長2倍。從Cree公司發(fā)布的光衰和結(jié)溫的關(guān)系圖(圖 1)中可以看出，結(jié)溫假如能夠控制在 65° C,那么 其光衰至70%的壽命可以高達(dá)10萬小時(shí)！這是人們夢(mèng)寐以求的壽命，可是真的可以實(shí)現(xiàn)嗎？ 是的，只要能夠認(rèn)真地處理它的散熱問題就有可能做到！遺憾的是，現(xiàn)在實(shí)際的LED燈的散熱和這個(gè)要求相去甚遠(yuǎn)！以致 LED燈具的壽命變成了一個(gè)影響其性能的主要問題，所以必須 要認(rèn)真對(duì)待！100908070WS01.00010.000100,000L00

2、0tW0Time (hours)圖1光衰和結(jié)溫的關(guān)系Cree公司的而且，結(jié)溫不但影響長時(shí)間壽命，也還直接影響短時(shí)間的發(fā)光效率，例如XLamp7090XR-E的發(fā)光量和結(jié)溫的關(guān)系如圖 2所示10Q%xn-亠 2>1EO5KElite Blue圖2.結(jié)溫和發(fā)光量的關(guān)系"假如以結(jié)溫為25度時(shí)的發(fā)光為100%，那么結(jié)溫上升至60度時(shí)，其發(fā)光量就只有90% ; 結(jié)溫為100度時(shí)就下降到80% ； 140度就只有70%?？梢姼纳粕?，控制結(jié)溫是十分重要的 事。除此以外LED的發(fā)熱還會(huì)使得其光譜移動(dòng)；色溫升高；正向電流增大（恒壓供電時(shí)） ； 反向電流也增大；熱應(yīng)力增高；熒光粉環(huán)氧樹脂老化加速

3、等等種種問題，所以說，LED的散熱是LED燈具的設(shè)計(jì)中最為重要的一個(gè)問題。第一部分LED芯片的散熱一 結(jié)溫是怎么產(chǎn)生的LED發(fā)熱的原因是因?yàn)樗尤氲碾娔懿]有全部轉(zhuǎn)化為光能，而是一部分轉(zhuǎn)化成為熱 能。LED的光效目前只有100lm/W，其電光轉(zhuǎn)換效率大約只有 2030%左右。也就是說大約 70%的電能都變成了熱能。具體來說，LED結(jié)溫的產(chǎn)生是由于兩個(gè)因素所引起的。1 內(nèi)部量子效率不高，也就是在電子和空穴復(fù)合時(shí)，并不能100%都產(chǎn)生光子，通常稱為由“電流泄漏”而使 PN區(qū)載流子的復(fù)合率降低。泄漏電流乘以電壓就是這部分的功率， 也就是轉(zhuǎn)化為熱能，但這部分不占主要成分，因?yàn)楝F(xiàn)在內(nèi)部光子效率已經(jīng)接近9

4、0%。2內(nèi)部產(chǎn)生的光子無法全部射出到芯片外部而最后轉(zhuǎn)化為熱量，這部分是主要的，因 為目前這種稱為外部量子效率只有 30%左右，大部分都轉(zhuǎn)化為熱量了。雖然白熾燈的光效很低，只有15lm/W左右，但是它幾乎將所有的電能都轉(zhuǎn)化為光能而 輻射出去，因?yàn)榇蟛糠值妮椛淠苁羌t外線，所以光效很低，但是卻免除了散熱的問題。二.LED芯片到底板的散熱LED芯片的特點(diǎn)是在極小的體積內(nèi)產(chǎn)生極高的熱量。而LED本身的熱容量很小，所以必須以最快的速度把這些熱量傳導(dǎo)出去，否則就會(huì)產(chǎn)生很高的結(jié)溫。為了盡可能地把熱量引出到芯片外面，人們?cè)贚ED的芯片結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了很多改進(jìn)。為了改善LED芯片本身的散熱，其最主要的改進(jìn)就是采用導(dǎo)熱

5、更好的襯底材料。早期 的LED只是采用Si硅作為襯底。后來就改為藍(lán)寶石作為襯底。但是藍(lán)寶石襯底的導(dǎo)熱性能不 是太好，（在100° C時(shí)約為25W/（m-K）,為了改善襯底的散熱，Cree公司采用碳化硅硅襯 底，它的導(dǎo)熱性能（490W/（m-K）要比藍(lán)寶石高將近20倍。而且藍(lán)寶石要使用銀膠固晶， 而銀膠的導(dǎo)熱也很差。而碳化硅的唯一缺點(diǎn)是成本比較貴。目前只有Cree公司生產(chǎn)以碳化硅為襯底的LEDnGaN (Si)OumVcftn-AlCiKF'-AlCaS愛* 吐In-CdS+Vc«V電極LED芯片L電收LED芯片ip-CaN j Cl £uioVcIlnGa

6、fi bZn; 廢光層It嘉性戦是 胃話航礦 0. 15i«an-SiC采用碳化硅作為基底以后，的確可以大為改善其散熱，但是其成本過高，而且有專利保護(hù)。最近國內(nèi)的廠商開始采用硅材料作為基底。因?yàn)楣璨牧系幕撞皇軐＠南拗啤?而且性能還優(yōu)于藍(lán)寶石。唯一的問題是 GaN的膨脹系數(shù)和硅相差太大而容易發(fā)生龜裂，解決的方法是 在中間加一層氮化鋁（AIN ）作緩沖。襯底材料導(dǎo)熱系數(shù)W/（m K）膨脹系數(shù) （X10E-6）穩(wěn)定性導(dǎo)熱性成本ESD （抗靜 電）碳化硅（SiC） 490-1.4良好高好藍(lán)寶石(AI2O3)461.9一般差為SiC的1/10一般硅(Si)150520良好為藍(lán)寶石的1/10

7、好LED芯片封裝以后，從芯片到管腳的熱阻就是在應(yīng)用時(shí)最重要的一個(gè)熱阻，一般來說，芯片的接面面積的大小是散熱的關(guān)鍵，對(duì)于不同的額定功率，要求有相應(yīng)大小的接面面積也就表現(xiàn)為不同的熱阻。幾種類型的 LED的熱阻如下所示：類型草帽管食人魚1W面發(fā)光熱阻oK/W150-200508-1551早期的LED芯片主要靠兩根金屬電極而引出到芯片外部，最典型的就是稱為巾5或F5的草帽管，它的散熱完全靠兩根細(xì)細(xì)的金屬導(dǎo)線引出去，所以散熱效果很差，熱阻很大， 這也就是為什么這種草帽管的光衰很嚴(yán)重的原因。此外，封裝時(shí)采用的材料也是一個(gè)很重要的問題。小功率LED通常采用環(huán)氧樹脂作為封裝材料，但是環(huán)氧樹脂對(duì) 400-459

8、nm的光線吸收 率高達(dá)45%，很容易由于長期吸收這種短波長光線以后產(chǎn)生的老化而使光衰嚴(yán)重，50%光衰的壽命不到1萬小時(shí)。因而在大功率LED中必須采用硅膠作為封裝材料。硅膠對(duì)同樣波長光 線的吸收率不到1%。從而可以把同樣光衰的壽命延長到 4萬小時(shí)。F面列出各家LED芯片公司所生產(chǎn)的各種型號(hào) LED的熱阻公司名稱芯片型號(hào)芯片類型熱阻° C/W億光EHP53931W冷白13億光EHP A08L/UT011W，5600K15愛迪生Edixe on S series1W，5K-8K13-14愛迪生Edixe on K series1W,8Lume nledLuxe on Emitter1W，4

9、.5K-5.5K15NichiaNJSL036AT1W，30CreeXLamp7090XR-E1W8CreeXLampXP-G1W6小功率LED光寶(Lite-On )LTW-M670ZVS (3020)0.07W，20mA160琉明斯30140.1W，30mA45由表中可見，Cree公司的LED的熱阻因?yàn)椴捎昧颂蓟枳骰祝绕渌镜臒?阻至少低一倍。大功率LED為了改進(jìn)散熱通常在基底下面再放一塊可焊接的銅底板以便焊到 散熱器上去。這些熱阻實(shí)際上都是在這個(gè)銅底板上測(cè)得的。是不是碳化硅就是LED襯底的最佳選擇呢，不是這樣，任何事物都會(huì)有創(chuàng)新和發(fā)展的， 最近臺(tái)灣的鉆石科技開發(fā)出了鉆石島外延片

10、 (DiamondlslandsWafer, DIW)做為生產(chǎn)超級(jí)LED 的基材。這種LED的熱阻可以低至5° C/W。用它制成的超級(jí)LED可發(fā)出極強(qiáng)的紫外光， 其強(qiáng)度不因高溫而降低，反而會(huì)更亮。其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。Transparent DiamondDLC Thermal Radiator圖4采用類鉆碳(DiamondLikeCarbon , DLC)的鍍膜可以大大改善 LED的散熱024&8101214Thermal Resistance ( K/W)圖5用DLC鍍膜和鋁結(jié)合可以比其它結(jié)構(gòu)的 LED有更好的散熱特性而且采用紫外線來激發(fā)各種熒光粉也可以得到所需要的各種顏色

11、的LED。而且熒光粉不是采用和環(huán)氧樹脂或硅膠混合的方法而是直接涂于芯片表面還可以避免由于環(huán)氧樹脂和硅膠的老化而產(chǎn)生的光衰。這將會(huì)使整個(gè)LED產(chǎn)生革命性變化。而且擺脫了日美等國的專利束縛。.集成LED的散熱現(xiàn)在有不少廠商把很多LED晶粒集成在一起以得到大功率的 LED。這種LED的功率 可以達(dá)到5W以上，大多以10W，25W，和50W的功率等級(jí)出現(xiàn)。為了把多個(gè)LED晶粒（以 共晶（Eutectic）或覆晶（Flip-Chip）封裝）連接在一起，因?yàn)檫@些晶粒極為精細(xì)，所以需要 采用精確的印制電路進(jìn)行連接。 為了得到更好的散熱特性，通常采用陶瓷基板。這種陶瓷基板 是由氧化鋁和氮化鋁構(gòu)成。各種材料的導(dǎo)

12、熱系數(shù)如下表所示。材料導(dǎo)熱系數(shù)W/mKFR4 （普通印制板的玻璃纖維）0.2氧化鋁17-27氮化鋁170-230金315銀425銅398不論氮化鋁還是氧化鋁，它們都是一種絕緣的陶瓷材料，所以可以把印制電路做在上 面。但是氮化鋁具有高10倍的導(dǎo)熱系數(shù)，所以現(xiàn)在更常用氮化鋁。過去采用厚膜電路，但是 其表面不平，電路邊緣毛糙，而且需要 800° C以上的燒結(jié)溫度?，F(xiàn)在大多采用薄膜電路，因?yàn)樗恍枰?00度以下的工藝，表面平整度可以0.3um，不會(huì)有氧化物生成，附著性好，電 路精細(xì)，誤差低于+/-1%。它實(shí)際上是采用照相刻蝕的方法來制作，采用氧化鋁為基底的薄膜 電路制備的具體過程如下：A12

13、O3AI2O3前處理濺鍍光阻披覆 a CuAI2O3 鉗芒 AI2O3 - J-AI2O3曝光顯影線路電鍍?nèi)ツD6薄膜電路的制備過程采用氮化鋁的制作方法相同。第二部分LED燈具的散熱前面講的是LED芯片的散熱，然而任何 LED都會(huì)制成燈具，所以LED芯片所產(chǎn)生的熱量最后總是通過燈具的外殼散到空氣中去。如果散熱不好，因?yàn)長ED芯片的熱容量很小，一點(diǎn)點(diǎn)熱量的積累就會(huì)使得芯片的結(jié)溫迅速提高，如果長時(shí)期工作在高結(jié)溫的狀態(tài)，它的壽命 就會(huì)很快縮短。然而這些熱量要能夠真正引導(dǎo)出芯片到達(dá)外部空氣，要經(jīng)過很多途徑。具體來說，LED芯片所產(chǎn)生的熱，從它的金屬散熱塊出來，先經(jīng)過焊料到鋁基板的PCB,再通過導(dǎo)熱膠才

14、到鋁散熱器。所以LED燈具的散熱實(shí)際上包括導(dǎo)熱和散熱兩個(gè)部分?，F(xiàn)在先來看一下 每一個(gè)環(huán)節(jié)的導(dǎo)熱性能。四各種電路基板的導(dǎo)熱在把LED連接到散熱器之前，首先要把它們焊接到電路中去，因?yàn)槭紫纫堰@些LED 連接成幾串幾并，同時(shí)還要把他們和恒流源在電路上連接起來。最簡單的辦法是把它們直接焊接到普通印制板上去。對(duì)于一些很小功率的 LED，例如LED指示燈的確是可以這樣做的。但 是對(duì)于大多數(shù)高亮度和高功率 LED來說，普通玻璃纖維印制板的導(dǎo)熱性能就顯得太差了，而 必須改成用銅基板或鋁基板甚至陶瓷覆銅板。各種基板的性能如下：基板類型特點(diǎn)普通印制電路板技術(shù)成熟，具有Layout上的優(yōu)勢(shì)，散熱性能差、尺寸大，只

15、適合于 低功率產(chǎn)品柔性印制電路重量輕，可彎性，厚度薄，熱傳導(dǎo)率約為：23W/mK高導(dǎo)熱系數(shù)鋁基板印制板基底為鋁板，熱傳導(dǎo)率約為12.2W/mK陶瓷覆銅板DCB熱傳導(dǎo)率高，約200800W/mK，制作困難，不易量產(chǎn)4.1鋁基板目前幾乎絕大多數(shù)的LED燈具中都采用了鋁基板。鋁基板上電路的銅箔為了要導(dǎo)電和 導(dǎo)熱要有足夠的厚度和寬度，其厚度在 35阿-280卩皿之間。其寬度最好盡可能布滿整個(gè)基板， 以便把熱傳下去。而下面一層絕緣體則要求其絕緣性能很好，而且還要導(dǎo)熱性能很好。然而這兩個(gè)性能是矛盾的，通常都是導(dǎo)體的導(dǎo)熱性能好，而絕緣體的導(dǎo)熱性能差。又要導(dǎo)熱好又要絕 緣好是很難做到的。也是一種科研的課題。目

16、前采用的是一種摻有陶瓷填充物的改性環(huán)氧樹脂 或環(huán)氧玻璃布粘結(jié)片。通過熱壓把銅箔絕緣體和鋁板粘結(jié)起來。有一些LED燈具，雖然散熱器是經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，但是很快就壞，問題就是出在采用了熱阻很大的鋁基板或是剝離強(qiáng)度很差 的鋁基板。用一段時(shí)間，電路薄膜就翹了起來，也就完全無法導(dǎo)熱，很快就燒壞LED o對(duì)于優(yōu)質(zhì)鋁基板通常要求其熱阻小于 1° C/W o下表是某種鋁基板的規(guī)格:性能指標(biāo)I型鋁基板II型鋁基板熱阻（° C/W）鋁板厚1.5mm<0.9<0.9剝離強(qiáng)度（N/mm）1.82.0絕緣電阻（M Q ）107106擊穿電壓（KV ）>3>3熱沖擊（260

17、76; C） S （秒）120120燃燒性UL94V-0UL94V-0銅箔厚 （mm）0.018,0.035,0.070尺寸規(guī)格 （mm）500x600x(0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0)國外和臺(tái)灣已經(jīng)能夠生產(chǎn)一種“全膠鋁基板”。所謂全膠是指它的絕緣層完全不用 絕緣布，而是用一種絕緣膠。采用絕緣布的鋁基板的熱阻實(shí)際上通常在1.7-3.2。C/W。而采用全膠的鋁基板的熱阻可以做到 0.05° C/W，市場出售的商品也可以低至 0.2-0.5° C/W。一種性能更好的鋁基板是采用直接在鋁板上生成陶瓷印制電路。先在鋁的表面用微弧 氧化生長一層100卩m厚的氧化鋁薄

18、膜，再用濺射或絲網(wǎng)印刷制作電路層。采用這種方法的最 大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)合力強(qiáng)，而且導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá) 2.1W/m.K，而且氧化層的熱膨脹系數(shù)和鋁差不多，所 以它的剝離強(qiáng)度高達(dá)5N/mm以上。只是因?yàn)檫@種陶瓷鋁基板的加工制造過程復(fù)雜，成本高， 所以還很少采用。雖然鋁基板只是一種特殊的印制板，但是它卻承擔(dān)著很重的散熱任務(wù)，不僅絕緣層的 導(dǎo)熱要好，粘結(jié)要牢，而且它的外形還必須和散熱器的外形配合，例如，在路燈里，通常是長 方形的外形，在射燈中，通常是圓形的，而在日光燈中，通常是長條形的。為了得到更好的導(dǎo) 熱性，也有時(shí)采用導(dǎo)熱更好的銅基板， 只是其價(jià)錢要更貴。而且最后還是要連接到鋁制散熱器 上去。有可能會(huì)產(chǎn)生熱膨脹

19、系數(shù)不同而裂開的問題。4.2導(dǎo)熱膠和導(dǎo)熱雙面膠帶鋁基板雖然已經(jīng)解決了從LED連接到以鋁板為基板的電路上，可以把熱傳遞到鋁板上， 但是遺憾的是，這個(gè)鋁板往往還不是最終的散熱器， 通常還要把這個(gè)鋁板連接到真正的散熱器 上去。最簡單的方法就是用鉚釘或螺釘?shù)姆椒ㄟB接到散熱器。但是這種方法往往會(huì)形成空氣隙， 而很小的空氣隙產(chǎn)生的熱阻會(huì)比其他熱阻大幾十倍。因?yàn)榭諝獾膶?dǎo)熱系數(shù)為0.023W/m ?k。所以必須涂上導(dǎo)熱膠來填充空隙。一般的導(dǎo)熱硅膠的導(dǎo)熱系數(shù)大約在1-2W/m ?k。但是導(dǎo)熱膠必須要流動(dòng)性好，不然的話由于涂抹不均勻仍然會(huì)產(chǎn)生氣隙，可能比不用 還壞。導(dǎo)熱膠的另一個(gè)缺點(diǎn)是本身的粘性不足以把鋁基板固定

20、在鋁散熱器上。所以另一種方法是采用有很強(qiáng)黏結(jié)性而又導(dǎo)熱的雙面膠片。這種導(dǎo)熱膠片是使用丙烯 系列材料制造出來帶有粘性的熱傳導(dǎo)片，它是屬于有粘性和低熱抵抗的散熱材料。而且具備熱 傳導(dǎo)性和柔軟性，可以緊貼零件上的凹凸部位，從而防止了氣隙的存在。導(dǎo)熱硅膠片的導(dǎo)熱系 數(shù)通常在2-3W/m?k之間。它的抗拉強(qiáng)度可達(dá)8kg/cm2。足以黏結(jié)鋁基板和鋁散熱器。耐壓可 達(dá) 4KV/mm。4.3柔性印制板從鋁基板的構(gòu)造人們一定會(huì)產(chǎn)生這樣的疑問，為什么印制電路要先粘到一個(gè)薄鋁板上 而不是直接粘到散熱器上？這樣還可以省去鉆孔、涂導(dǎo)熱膠、擰螺釘?shù)裙ば颍疫€可以省掉導(dǎo)熱膠的熱阻。主要原因是散熱器的形狀一般不是簡單的平面

21、，要熱壓黏結(jié)比較困難，而且散熱器是由燈具廠設(shè)計(jì)制造的，而鋁基板則是由印制板廠制造的。 解決這個(gè)問題的方法是采用柔 性印制板再貼到鋁散熱器上去。4.4LED直接焊到鋁散熱器上去。這是一種更為革命的徹底解決方法。對(duì)于1W以上的大功率LED，通常它的散熱銅底板是和兩個(gè)電極是絕緣的。為了使它能夠更直接散熱，最好 把它的散熱底板直接和散熱器焊接在一起。可是一般的散熱器都是鋁合金制成的，是無法焊接 的。如果采用銅散熱器當(dāng)然可以解決這個(gè)問題，但是無論是價(jià)錢和重量都是無法接受的。 一個(gè)簡單的解決方法是在鋁散熱器上噴鍍銅。然后再在柔性印制板上打洞，使得LED的銅底板直接暴露在散熱器面上，然后采用低溫焊錫進(jìn)行焊接

22、。這種方法可以免除掉鋁基板的熱阻和導(dǎo)熱 硅膠或硅片的熱阻。從而大大提高了散熱效率?？傊?，LED到散熱器之間的界面越少越好。五.熱管導(dǎo)熱在很多場合需要把LED所產(chǎn)生的熱量以最快的速度傳送到散熱器， 這在采用集成式的 單片大功率LED中尤其重要，因?yàn)樗臒崃亢艽螅üβ士蛇_(dá) 50W-100W）又很集中（有時(shí)只 有30mm），這時(shí)候就必須采用熱管散熱。熱管也稱為相變導(dǎo)熱器，因?yàn)樵谄渲械囊后w從液相變?yōu)闅庀喽鴮?dǎo)熱。它的熱阻非常小，大約只有0.065° C/W。其內(nèi)壁采用銅粉燒結(jié)，以利于變回液相的載熱體吸附其上而回流。然而，熱管只能把熱傳送到遠(yuǎn)端，而并沒有把熱量散發(fā)到空氣中去。 所以即使采用熱管，

23、還是需要有普通的鋁散熱器 把熱量散發(fā)出去。再次要提醒注意的是，采用銅熱管以后，要特別注意它和前端的鋁基板以及 后端的鋁散熱器的結(jié)合部一定要互相緊密地接觸并防止由于熱膨脹系數(shù)的不同而脫開。在其結(jié)合部要采用高質(zhì)量的導(dǎo)熱硅膠涂敷。導(dǎo) 熱 效 果 更 好 的 是 回 路 熱 管散熱板I leal SourceHeat Rejection蒸發(fā)器-連結(jié)器熱源瀚管圖&回路熱管卩回路熱管的最大優(yōu)點(diǎn)就是它的不需要外加動(dòng)力裝置就可以循環(huán)導(dǎo)熱、導(dǎo)熱距離長，傳送 功率大（幾百瓦），形狀多樣性和不受重力要求的限制，也就是說它可以任意放置。臺(tái)灣的陽 杰科技公司采用了回路熱管技術(shù)以后，150W的LED路燈重量只有8

24、.5公斤，100W的LED 路燈，重量只有5.5公斤六.系統(tǒng)的熱阻各部分的導(dǎo)熱能力也可以用系統(tǒng)的熱阻來說明，一個(gè)LED燈具的結(jié)構(gòu)圖見圖9圖9.LED燈具的散熱結(jié)構(gòu)圖從圖中可以看出，LED芯片所產(chǎn)生的熱，從它的金屬散熱塊出來，先經(jīng)過焊料到鋁基板 的PCB，再通過導(dǎo)熱膠才到鋁散熱器。而要定量地了解 LED芯片的散熱過程，最好利用熱阻 的概念。熱量就好像電荷，熱量流動(dòng)起來就好像電流，流動(dòng)的過程中會(huì)遇到阻力，就好像電阻, 在這里我們稱之為熱阻。熱阻的單位為每瓦多少度（° C/W ），也就是每流過 1 瓦的功率會(huì)上 升多少度。如果知道所需耗散的功率， 又知道其熱阻， 就可以知道它的溫升是多少。

25、 熱阻越大， 熱量越流不動(dòng)，溫升就越高，熱阻越小，熱量流動(dòng)越快，溫升就越小。圖中表明熱量從 LED 芯片流出到空氣需要經(jīng)過很多不同的熱阻：Rj1 ：從芯片到安裝底板的熱阻（也就是芯片的熱阻）Rj2 ：焊料的熱阻Rj3 ：鋁基板的熱阻Rj4 ：導(dǎo)熱硅膠的熱阻Rj5 ：從散熱器到空氣的熱阻所以從芯片到空氣的總熱阻就應(yīng)該是：Rja=Rj1+Rj2+Rj3+Rj4+Rj5只要知道從芯片到空氣的全部熱阻，就可以根據(jù)需要耗散的功率Pd,計(jì)算出結(jié)溫來，知道了結(jié)溫也就可以知道其壽命了。假定環(huán)境溫度為Ta，那么結(jié)溫為：Tj=Pd（Rj1+Rj2+Rj3+Rj4+Rj5 ）+Ta然而實(shí)際的 LED 燈具，從 LE

26、D 芯片到空氣所經(jīng)過的熱阻要遠(yuǎn)比這個(gè)多很多，例如， 通常薄膜印制板是安裝在鋁基板上， 鋁基板再安裝到鋁散熱器上， 其間還要涂上導(dǎo)熱膠， 導(dǎo)熱 膠的厚度很難估計(jì)， 而且其中還有殘存的氣隙。 對(duì)于采用熱管的燈具， 則還要考慮熱管和散熱 鰭片之間的空隙和導(dǎo)熱膠的熱阻等問題。而且最難估算的是Rj5，也就是散熱器到空氣的熱阻。這牽涉到很多有關(guān)對(duì)流和輻射的 散熱機(jī)制問題。需要注意的是在計(jì)算 LED 的散熱時(shí)，經(jīng)常犯的一個(gè)錯(cuò)誤是把 LED 的全部功率當(dāng)成是 其耗散功率Pd。例如，一個(gè)1W的LED，其正向電壓是3.3V，正向電流是350mA。于是就 把這二者的乘積 1.155瓦作為其耗散功率。這是錯(cuò)誤的。因?yàn)?/p>

27、這只是其輸入功率，而不是其耗 散功率。 有一部分輸入功率變成了有用的光發(fā)射出去了。 需要作為熱來耗散的那部分， 應(yīng)當(dāng)是 輸入功率減去以有用光的形式發(fā)射出去的那部分， 才是需要作為熱而耗散的那部分。 不過這部 分比較難計(jì)算。一般來說，因?yàn)?LED 的發(fā)光效率有所不同，而這個(gè)耗散功率也有所不同。一 般來說，可以作如下的近似：發(fā)光效率為100lm/W，其耗散功率應(yīng)為70%輸入功率，對(duì)于上面所說的1W的LED，也就是1.155x0.7=0.8W變成無用的熱需要散發(fā)出去。那么是不是知道了所有各部分的熱阻，我們就可以知道這個(gè) LED 燈具的總熱阻，也就 可以知道 LED 芯片的結(jié)溫，也就可以知道這個(gè)燈具的

28、壽命了呢？情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是那么簡單，雖然我們可以仔細(xì)分析每一部分的熱阻，甚至還可以得到比 較精確的數(shù)字， 但是還是有很多重要的因素被我們忽略掉了。 因?yàn)樯厦娴倪@個(gè)模型只不過是單 個(gè) LED 的燈具的模型，而實(shí)際的燈具要比這個(gè)模型復(fù)雜很多。1LED 的分布。在很多情況下， LED 燈具里是由很多顆 LED 所構(gòu)成而不是只有一個(gè) LED ?？赡芩羞@些 LED 都焊在一塊鋁基板上。這時(shí)候如果只用標(biāo)準(zhǔn)的鋁基板的熱阻來計(jì)算 整個(gè)燈具的熱阻就會(huì)有很大的出入。因?yàn)槊總€(gè) LED 的散熱會(huì)受到周圍 LED 所發(fā)出的熱影響。 換句話說，這時(shí)鋁基板的熱阻是很難計(jì)算的。2其他熱源的影響，例如 LED 的恒流電源就是重要

29、的發(fā)熱源，假如這個(gè)發(fā)熱源靠近 某些 LED ，那么就會(huì)明顯降低這些 LED 的散熱而縮短其壽命。也相當(dāng)于改變了其熱阻。3熱阻實(shí)際上只考慮了熱傳導(dǎo)，而根本沒有考慮熱對(duì)流和熱輻射。熱量從LED 芯片出發(fā)，經(jīng)過了一系列不同材質(zhì)傳導(dǎo)， 最后到達(dá)鰭片散熱器。 這些熱量最后都要散發(fā)到空氣中去。 如果散發(fā)不到空氣中，那么這些熱量也會(huì)越積越多，導(dǎo)致結(jié)溫的升高。所以可以說，最后鰭片 散熱器散到空氣中的這一環(huán)節(jié)，是最關(guān)鍵的一環(huán)，是最復(fù)雜的一環(huán)，也是最難計(jì)算的一環(huán)。或 者說 Rj5 基本上是無法用簡單的計(jì)算就能算出來的。 這就使得要通過所有部件的熱阻來計(jì)算出 LED 的結(jié)溫幾乎是不可能的事。七散熱器的設(shè)計(jì) 要談到散

30、熱器，有一個(gè)概念先要搞清楚，就是導(dǎo)熱和散熱的區(qū)別。導(dǎo)熱就是要把熱量 最快地從發(fā)熱源傳送到散熱器表面， 而散熱則是要把熱量從散熱器表面散發(fā)到空氣中去。 首先 要把熱最快的導(dǎo)出來， 然后要最有效地散到空氣里去。 因?yàn)椴还懿捎檬裁捶椒ㄉ幔?最后還是 只能把熱量散發(fā)到空氣中。而熱量的散發(fā)只有兩種途徑：對(duì)流和輻射。7.1 對(duì)流散熱和輻射散熱對(duì)于對(duì)流散熱來說，其基本公式如下：Q=h? A?A T其中Q為散去的熱量，h為熱對(duì)流系數(shù)，A為散熱器的散熱面積， T為散熱器表面 和附近空氣之間的溫度差。更形象一點(diǎn)，可以用圖 10 來表示：it自對(duì)潦:受ifl對(duì)瀛:1<tft|Pb尊136體術(shù)、Pjgn. .

31、JMha«it1、！!JBe熱面木平一（W/OnlC）一I1 -IflIi p230 - 580:1200-5800;12000-23000 j墓于熱對(duì)3K方式的敵熱傳熱系數(shù)七）x敵熱面積nf x溫度差0圖10.基于對(duì)流的散熱量的計(jì)算鰭片的散熱主要是靠對(duì)流和輻射， 這其中對(duì)流是最重要的。這兩部分都取決于鰭片的 總面積。面積越大，散熱效果越好。然而，對(duì)流散熱則不完全取決于鰭片面積的大小，而且還 和風(fēng)力風(fēng)向有關(guān)，在完全無風(fēng)的狀態(tài)下，則和自然對(duì)流的阻力有關(guān)。例如假如為了防塵和防鳥 屎堆積，鰭片朝下安裝，那么鰭片兩端不能堵住，而且燈具要么向下傾斜要么向上傾斜，可以 讓熱空氣能夠順暢地流動(dòng)。熱

32、輻射的散熱公式為“Q=E x SX F x 仃a Tb） ”。公式中Q代表熱輻射所交換的能 力，E是物體表面的熱輻射系數(shù)。在實(shí)際中，當(dāng)物質(zhì)為金屬且表面光潔的情況下，熱輻射系數(shù) 比較小，而把金屬表面進(jìn)行處理后（比如發(fā)黑）其表面熱輻射系數(shù)值就會(huì)提升。塑料或非金屬 類的熱輻射系數(shù)值大部分都比較高。S是物體的表面積，F(xiàn)則是輻射熱交換的角度和表面的函數(shù)關(guān)系，但這里這個(gè)函數(shù)比較難以解釋。仃a Tb）則是表面a的溫度同表面b之間的溫度差。 因此熱輻射量和熱輻射系數(shù)、物體表面積的大小以及溫度差之間都存在正比關(guān)系。絕對(duì)黑體的 輻射系數(shù)為1。熱輻射散熱也可以用另一個(gè)公式來表示：材料£鋼"鑄鐵匸

33、不銹鋼護(hù)鋁，銅丁導(dǎo)熱塑料衛(wèi)拋光未氧北心0.050.20.1-0.25<0.02-0.10.04-0.050.8-0.9粗加工輕微氧化70.50.50.2-0,404嚴(yán)重氧化*0.7-0.950.8-0,9知085心0.3-0.40.8由表中可見，氧化處理是改進(jìn)材料的輻射散熱的重要途徑。采用鑄鐵的暖氣片有相當(dāng)一 部分的散熱靠的是輻射散熱。而且塑料的熱輻射性能和氧化后的金屬差不多。為了改進(jìn)輻射散熱，鋁合金鰭片散熱器要進(jìn)行發(fā)黑處理，但是有人是采用噴黑色塑膠 漆的方法，這種方法雖然也使其表面變黑，但是實(shí)際上又加上了一層絕緣層，妨礙了它的散熱。 最好的方法是采用陽極氧化發(fā)黑處理， 這個(gè)氧化層可以做

34、得很薄，不至于影響其散熱，但對(duì)輻 射散熱有很大的改進(jìn)?？傊?，不管是對(duì)流還是輻射都是和散熱器的散熱面積成正比，所以要改善散熱一定要 加大散熱器的面積。八.鰭片散熱器散熱器采用鰭片的形狀是為了加大散熱面積。以利于輻射散熱和對(duì)流散熱。散熱器的 最重要指標(biāo)就是它的散熱面積 A，但是散熱器的不同部位的散熱效果是不同的。 在根部的散熱 效果就差，而在頂部的散熱效果就好。所以散熱器有一個(gè)有效散熱面積。 它通常是實(shí)際面積的 70%左右。從經(jīng)驗(yàn)得出，一般要散1W功率的熱量大約需要50-60平方厘米的有效散熱器面積。而散熱器的材料通常是用鋁合金，和銅相比，雖然其熱傳導(dǎo)只有銅的一半，但是它重 量輕、易加工、價(jià)格便宜，所以還是廣泛地應(yīng)用于散熱器之中。一種典型的散熱鋁合金型材如 圖11所示。tt圖12. LED結(jié)溫隨散熱器的高度增加而降低"圖11典型的鰭片鋁合金散熱器為了加大散熱面積，通常會(huì)采用增加高度的方法。但是，高度增加到一定程度以后其作 用會(huì)越來越小。圖12表明增加高度對(duì)于降低結(jié)溫的影響的一個(gè)例子。1*00 150 200Junction Temperdluf* ” a function of Length圖12.LED結(jié)溫隨散熱器的高度增加而降低由圖中可以看出，高度增加到 40mm以后，結(jié)溫的降低就很慢了。加大長度也是加大面積的一個(gè)方法。但是并不是長度越長越好。由圖中可知，長度增加到