淺析LED散熱問題

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10℃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！

圖1：光衰和結(jié)溫的關(guān)系

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Cree公司的XLamp7090XR-E的發(fā)光量和結(jié)溫的關(guān)系如圖2所示。

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幔刂平Y(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20~30%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90％。

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?yàn)槟壳斑@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LED。

圖3：藍(lán)寶石和碳化硅襯底的LED結(jié)構(gòu)圖

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６倚阅苓€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（AlN）作緩沖。

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：

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ф5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)400-459nm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)。

下面列出各家LED芯片公司所生產(chǎn)的各種型號(hào)LED的熱阻

由表中可見，Cree公司的LED的熱阻因?yàn)椴捎昧颂蓟枳骰?，要比其他公司的熱阻至少低一倍。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(DiamondIslandsWafer，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。

圖4：采用類鉆碳(DiamondLikeCarbon，DLC)的鍍膜可以大大改善LED的散熱

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*性變化。而且擺脫了日美等國的專利束縛。

三.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)熱系數(shù)如下表所示。

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：

圖6：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：

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?m-280?m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。

對(duì)于優(yōu)質(zhì)鋁基板通常要求其熱阻小于1°C/W。下表是某種鋁基板的規(guī)格：

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100μm厚的氧化鋁薄膜，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，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*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。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琇ED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。

圖7：熱管導(dǎo)熱原理

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，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

圖8：回路熱管

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8.5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。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LED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)檫@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)長ED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。

1．LED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)?；蛘哒fRj5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?，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?△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：

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)。

熱輻射的散熱公式為“Q=E×S×F×Δ(Ta－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。Δ(Ta－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：

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)。

總之，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。

圖11：結(jié)溫和長度的關(guān)系

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。

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。

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，長度增加到一定程度以后，結(jié)溫不但不再降低，反而會(huì)升高。這是因?yàn)榭諝庠谘亻L度方向的流動(dòng)受到阻礙所致(主要對(duì)于垂直放置的鰭片為如此)。

所以對(duì)于散熱器來說，除了加大面積以外，如何加速空氣的對(duì)流是很重要的事，尤其是像LED路燈這類安裝在室外的路燈更為重要。由于室外的風(fēng)向是不定的，為了在各種風(fēng)向情況下都能有很好的對(duì)流，最好采用針狀鰭片散熱器。但這也減小了其等效散熱面積很大的百分比。

珠海南科首次把針狀散熱器應(yīng)用至LED路燈中，據(jù)說這可以使LED的結(jié)溫降低15度以上，提高了LED的壽命。

路燈散熱器往往由于灰塵和鳥糞的積累而使其散熱效果大為降低，所以通常采用朝下安裝的方法來避免，但是這樣做又會(huì)使空氣對(duì)流的效果降低，因?yàn)闊峥諝馐窍蛏狭鲃?dòng)的。通常要在安裝時(shí)有一個(gè)傾斜角來改善。

九．采用強(qiáng)制風(fēng)冷散熱

目前幾乎絕大多數(shù)的LED燈具都是采用自然空氣對(duì)流來散熱的。然而，對(duì)流的散熱效果是和空氣的流速是有密切關(guān)系的。在一個(gè)15W的LED燈具中，如果采用強(qiáng)制風(fēng)冷可以得到其LED的結(jié)溫和風(fēng)速的關(guān)系如圖13所示。

圖13：LED結(jié)溫和風(fēng)速的關(guān)系

在電腦的CPU中，從來都是采用小風(fēng)扇的強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)來散熱的。那么在LED中能不能也采用風(fēng)扇來散熱呢！

目前最大功率的LED燈具要算是LED路燈了。LED路燈和電腦最大的差別就是它是安裝在室外的十分惡劣的環(huán)境條件下的。如果采用風(fēng)扇，那么這種風(fēng)扇也必須能夠承受十分惡劣的環(huán)境條件。例如必須能夠防水、防潮、防塵，能夠承受高低溫的考驗(yàn)，等等…。而且它本身不能消耗很大的功率。

最近臺(tái)灣Sunon公司推出全球最小、最薄、耗電量最低的“毫米科技風(fēng)扇與鼓風(fēng)扇MightyMiniFan&Blower。并用于各種功率的LED燈具。例如，應(yīng)用于LED球泡燈，就可以突破9W的瓶頸限制而達(dá)到15W的水平。同時(shí)展示全新&ldquo;One-module”概念所設(shè)計(jì)的LED散熱模塊，將LED燈具散熱模塊化，一款散熱模塊可應(yīng)用于多款LED燈具，簡化客戶端的設(shè)計(jì)流程，預(yù)計(jì)推出可散熱7-15W、10-25W、25-40W幾種功率水平。可應(yīng)用于LED球燈、筒燈、MR16投射燈、LED軌道燈等各式LED應(yīng)用產(chǎn)品的散熱。

十.結(jié)束語

目前LED的發(fā)光效率還是比較低，從而引起結(jié)溫升高，壽命降低。為了降低結(jié)溫以提高壽命就必須十分重視散熱的問題。LED的散熱設(shè)計(jì)必須從芯片開始一直到整個(gè)散熱器，每一個(gè)環(huán)節(jié)都要給于充分的注意。任何一個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)不當(dāng)都會(huì)引起嚴(yán)重的散熱問題。過去的LED路燈在長期工作中的大量失效，一半以上是散熱設(shè)計(jì)欠缺所引起，另一半是電源失效所引起。所以對(duì)散熱的設(shè)計(jì)必須給以充分的重視。

隨著LED的光效逐年提高，它的發(fā)熱問題也會(huì)逐漸降低。相信總有一天我們會(huì)看到不需要散熱器的LED燈具的出現(xiàn)！