一種基于LED照明燈具的散熱片設(shè)計與分析

1.引言

　　LED 照明具有三個最為主要的優(yōu)點：節(jié)能、環(huán)保、綠色照明。這使得LED 成為當(dāng)今世界上替代傳統(tǒng)光源的新一代光源之一。在LED 工作過程中，由于是PN 結(jié)工作，LED芯片會有發(fā)熱現(xiàn)象產(chǎn)生，所以必須針對這種情況做好散熱設(shè)計。LED 照明燈具發(fā)光后產(chǎn)生的熱量主要通過LED基板和安裝在LED 上的散熱裝置傳導(dǎo)出去。而良好的散熱設(shè)計可以大幅度延長LED 的使用壽命，因此散熱設(shè)計對LED 光源的性能起著至關(guān)重要的作用。

　　解決散熱問題的方法主要有兩種：（1）改善燈具內(nèi)部LED 芯片的質(zhì)量，在同樣的工作電流下提高芯片發(fā)光的內(nèi)量子效率，從而提高芯片的發(fā)光效率；（2）改進燈具外部的散熱設(shè)計，配置合理的散熱裝置，以加快散熱過程。本文主要從第二點出發(fā)，對LED照明燈具的散熱進行分析。

　　2 大功率LED的結(jié)構(gòu)及導(dǎo)熱途徑

　　圖1 顯示出SMT LED 封裝中的基本內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

　　這里是一個TOP LED，它也是一個在印刷電路板上安裝實現(xiàn)散熱的方法。LED 由焊接或壓焊粘合的引線架上安裝的芯片組成。引線由高導(dǎo)電材料銅組成。

　　從引線架到引線端通過熱傳導(dǎo)形成從PN 結(jié)處的主要熱流通路徑。另一部分的傳輸路徑是從芯片的表面到封裝表面。熱從引線端同時通過熱傳導(dǎo)以及經(jīng)電路板的表面對流和輻射通過熱提取實現(xiàn)擴散。從PCB 板到空氣的熱傳輸效率對于芯片和空氣之間的溫度差有顯著的影響。

　　3 照明所用LED散熱基板特點分析

　　LED芯片有源區(qū)面積小、工作電流大，造成LED芯片的工作溫度很短時間內(nèi)就會升高。LED 的PN結(jié)結(jié)溫上升導(dǎo)致LED輸出光功率減小，加速芯片老化，器件壽命縮短。隨結(jié)溫的上升LED 的波長還將發(fā)生“紅移”（橙紅色和琥珀色的LED 色漂移的視覺效應(yīng)更顯著）。所以考慮到實際應(yīng)用中對色漂移的不良影響，熱設(shè)計也要對最高結(jié)溫進行限制。

　　在大功率LED 散熱通道中，散熱基板是連接內(nèi)外散熱通路的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它至少有以下功能：（1）LED 芯片的散熱通道；（2）LED 芯片的電氣連接基板；（3）LED芯片的物理支撐。照明所用大功率LED的基板材料必須有高電絕緣性能、高穩(wěn)定性、高熱導(dǎo)率，與芯片相近的熱膨脹系數(shù)以及平整性和較高的強度。

　　傳統(tǒng)散熱片材料為鋁合金或銅材料，鋁的熱傳導(dǎo)性可達209 W /m ·K，加工特性很好、成本低，因此應(yīng)用非常廣泛。銅的熱傳導(dǎo)率390 W /m ·K，比鋁增加70%，但缺點是比鋁重三倍左右，而且很難加工。

　　然而，當(dāng)應(yīng)用場合受限于傳導(dǎo)特性為重點時，通常使用銅。除這兩種材料之外，一些增加散熱的材料如以碳為基材的化合物材料、金屬粉沫燒結(jié)材料、化合的鉆石以及石墨等都是目前受矚目的熱傳導(dǎo)材料。

　　AlSiC 是目前最新的材料，它是混合各種鋁合金以制成特殊的物理性質(zhì)，有控制的熱膨脹、高傳導(dǎo)性以及顯著的強度特性。當(dāng)然由于成本關(guān)系，這些新材料一般用在功率模塊底部和芯片直接接觸的基板。

　　4 LED照明燈具所用散熱片的設(shè)計

　　散熱片的種類很多，由制造方式來看，氣冷的散熱片可分為壓印散熱片、擠型散熱片、鑄造散熱片、接著散熱片、折迭散熱片、改良式的鑄造散熱片、鍛造散熱片、切削散熱片、機械加工散熱片等。

　　散熱片的大小與厚度，直接影響了有效散熱面積與排熱的能力。良好的散熱片應(yīng)該大于接觸面，同時還要有盡量多的散熱面積才行。散（導(dǎo)）熱墊片也是一種極佳的導(dǎo)熱材料，它與散熱片的結(jié)合，可以改善散熱效果。

　　包絡(luò)體積是指散熱片所占的體積，如果發(fā)熱功率大，所需的散熱片體積就比較大。散熱片的設(shè)計可就包絡(luò)體積做初步的設(shè)計，然后再就散熱片的細部。發(fā)熱瓦數(shù)和包絡(luò)體積的關(guān)系如式（1）所示：

　　要使得散熱片效率增加，散熱片底部厚度有很大的影響，散熱片底部必須夠厚才能使熱順利地傳到所有的鰭片，使得所有鰭片有最好的利用效率。

　　但是若底部太厚，除了浪費材料，也會造成熱量累積，反而使導(dǎo)熱能力降低。良好的底部厚度設(shè)計必須由熱源部分厚而向邊緣部份變薄，如此可使散熱片由熱源部分吸收足夠的熱向周圍較薄的部分迅速傳遞。散熱瓦數(shù)和底部厚度的關(guān)系如式（2）所示：

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　　散熱片表面做耐酸鋁或陽極處理可以增加熱輻射性能，從而增加散熱片的散熱效能。一般而言，外部顏色是白色或黑色關(guān)系不大。表面突起的處理可增加散熱面積，但是在自然對流的場合，反而可能阻礙空氣流動而降低效率。

　　上述設(shè)計方式僅供參考，實際散熱片設(shè)計時還需考慮與器件以及環(huán)境的配合，尤其是高效能散熱片的設(shè)計需配合實驗驗證以及計算機分析模擬。目前散熱片的設(shè)計已漸漸趨向極限，空氣冷卻的方式無法滿足大功率LED 的散熱需求，散熱片設(shè)計應(yīng)結(jié)合LED 的功率數(shù)這個特點，使得散熱的設(shè)計更為彈性及多樣化。不論如何，散熱片仍然是LED 燈具最常見的散熱方式，善用散熱片設(shè)計可改善LED 發(fā)熱狀況。

　　5 LED在散熱片表面分布的散熱分析

　　為分析LED 芯片在散熱片上熱分布情況，我們通過在一塊散熱片上放置LED 的相對位置不同，來分析對散熱的影響。實驗材料為一塊大小為200mm× 60mm× 15mm的散熱片，兩塊導(dǎo)熱墊片導(dǎo)熱系數(shù)是6.0W/m·K，面積是20mm×30mm。配有兩塊焊有LED芯片的單個鋁基PCB板（大小是15cm× 20cm，每塊PCB板焊有一顆LED芯片）。測試儀器為FLUKE溫度傳感器，實驗時環(huán)境溫度為26℃，環(huán)境相對濕度為52 %。

　　實驗過程如下：在散熱片上每隔20mm 取放置LED 芯片的位置，每塊焊有LED 芯片的PCB板與散熱片之間加導(dǎo)熱墊片。所加電源電壓6.3V，電流0.7A，功率4.41W，進行散熱測試。表1 是所采集的數(shù)據(jù)。d 表示兩個LED 芯片之間的距離（單位是mm），t 表示LED 芯片的溫度（單位是℃，每個t 值的測試時間為4h，也就是在溫度穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)）。

　　從表1 中可以看出，隨著兩顆LED 芯片之間距離的增加，LED 芯片的溫度逐漸降低，這種變化是比較明顯的，以溫度為縱坐標(biāo)，以兩顆LED 芯片之間的距離為橫坐標(biāo)，得出二者的散點分布圖，如圖2 所示。

　　從圖2 可以看出，二者近似形成一條曲線，應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計的方法可以擬合這條曲線。最終得到的數(shù)學(xué)模型是：

　　可以看出，合理選取散熱片的面積和正確擺放LED 芯片可以使散熱效果更好。如果功率和散熱片的形狀改變，那么會有以下關(guān)系式，即：

　　在（4）式中，功率不同a、b 的系數(shù)不同（也有可能是a 不同、b 相同）。實際中可以根據(jù)功率大小和散熱片大小計算出a、b 的值。

　　在給定面積的散熱片上LED芯片與LED芯片的位置盡量遠一些，也就是說在設(shè)計PCB 板時，LED芯片的位置應(yīng)盡量分散，不要集中在一起。如果在燈具大小允許的情況下，PCB 板的面積也應(yīng)盡量大一些，因為一般散熱片的面積和PCB 板的面積大小差不多，這樣有助于散熱。但也不能過大，因為從上面分析中可以看出，面積大到一定程度時散熱效果就基本不變了。

　　6 結(jié)論

　　LED燈具需要使用散熱片來控制LED 芯片的溫度，尤其是結(jié)溫T，使其低于LED 芯片正常工作的安全結(jié)溫，從而提高LED 芯片的可靠性。常規(guī)散熱器趨向標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化，而新產(chǎn)品則向低熱阻、多功能、體積小、質(zhì)量輕、適用于自動化生產(chǎn)與安裝等方向發(fā)展。通過LED 芯片發(fā)熱原理的分析和散熱計算，可以指導(dǎo)設(shè)計散熱方式和散熱器的選擇，保證了LED 工作在安全的溫度范圍內(nèi)，減少了質(zhì)量問題。合理選用、設(shè)計散熱器，能有效降低LED 的結(jié)溫，提高LED 的可靠性。如果LED的散熱問題得以解決，LED照明燈的優(yōu)勢就能顯示出來，也就會很快取代傳統(tǒng)光源。