大功率LED的散热研究设计方案.docx

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大功率LED的散热研究设计方案

大功率LED的散热设计方案

近年来，大功率LED发展较快，在结构和性能上都有较大的改进，产量上升、价格下降；还开发出单颗功率为100W的超大功率白光LED。

与前几年相比较，在发光效率上有长足的进步。

例如，Edison公司前几年的20W白光LED，其光通量为700lm，发光效率为35lm/W。

2007年开发的100W白光LED，其光通量为6000lm，发光效率为60lm/W。

又例如，Lumiled公司最近开发的K2白光LED，与其Ⅰ、Ⅲ系列同类产品比较如表1所示。

从表中可以看出：

K2白光LED在光通量、最大结温、热阻及外廓尺寸上都有较大的改进。

Cree公司新推出的XLampXR～E冷白光LED，其最高亮度挡QS在350mA时光通量可达107～114lm。

这些性能良好的大功率LED给开发LED白光照明灯具创造了条件。

前几年，各种白光LED照明灯具主要是采用小功率Φ5白光LED来做的。

如1～5W的灯泡、15～20W的管灯及40～60W的路灯、投射灯等。

这些灯具使用了几十到几百个Φ5白光LED，生产工艺复杂、可靠性差、故障率高、外壳尺寸大，并且亮度不足。

为改进上述缺点，这几年逐步采用大功率白光LED来替代Φ5白光LED来设计新型灯具。

例如，用18个2W的白光LED做成的街灯，若采用Φ5白光LED则要几百个。

另外，用一个1.25W的K2系列白光LED，可做成光通量为65lm的强光手电筒，照射距离可达几十M。

若采用Φ5白光LED来做则是不可能的。

图1 结温TJ与相对出光率关系图

用大功率LED做的灯具其价格比白炽灯、日光灯、节能灯要高得多，但它的节能效果及寿命比其他灯具也高的多。

如果在路灯系统及候机大厅、大型百货商场或超市、高级宾馆大堂等用电大户的公共场所全部采用LED灯具，其一次性投资较高，但长期的节电效果及经济性都是值得期待的。

在节能和环保两大需求的强力推动下LED的应用己从早年的指示、显示和装饰逐步走向照明领域。

大功率LED照明的实现方法主要有两种：

一是直接封装5W以上的超大功率LED芯片二是通过多颗LED组合成超大功率LED阵列。

超大功率LED芯片主要从国外或台湾进口价格很高。

相比之下小功率芯片不仅国内货源充足组合成同样的功率价格也相对较低1。

除此之外多芯片LED阵列还有独特的优势：

通过不同LED芯片的串并联组合可以实现各种不同的额定电压和电流更好地适应驱动器设计单位面积的芯片数可多可少可以封装成各种不同的点和面光源可以加入不同颜色的发光芯片实现情景照明。

目前比较成熟的商品化的大功率LED输入功率一般为1W芯片面积1mm1mm其热流密度达到了100W/cm2。

如此高的热流密度如不采取有效的散热措施会使LED芯片结温过高减少芯片出射的光子发光效率降低另一方面结温的升高还会使芯片的发射光谱发生红移色温质量下降尤其是对基于蓝光LED激发荧光粉的白光LED器件更为严重荧光粉的转换效率也会随着温度升高而降低2。

因此对大功率LED进行散热研究具有重要的理论和工程价值。

目前主要采用1～3W大功率白光LED作照明灯，因为其发光效率高、价格低、应用灵活。

大功率LED的散热问题

通过分析不同封装、热沉材料及散热方式对LED热分布与最大散热能力的影响，指出解决LED散热问题的关键不是寻找高热导率的材料，而是改变LED的散热结构或者散热方式。

光电子散热技术，同普通IT散热一样，传统的冷却方式包括：

（1）带有或不带风扇的金属散热器；

（2）带有或不带风扇的热管（或均温板vaporchamber）与散热片结合的散热器。

另一种可选方案是高热流密度热控制的液冷技术。

尽管如此，上面提到的几种方式都各自存在固有的缺点，妨碍它们在大功率电子装置散热中的应用。

例如，带风扇的散热片方式，如果增大散热量，则必须加大散热面积或是增加风扇转速，其后果是散热片超重或是系统噪声令人难以忍受。

同时，脆弱的芯片所受压力也会增大。

尽管结合热管可以改善散热片的传热性能，但对于大功率电子散热，其结构会变得过于复杂而无法应用，特别是对于超大功率散热更是如此。

对于液冷方式，众所周知，是一种在散热能力和整体热阻方面相比空气直接冷却要高级的冷却方式。

但现阶段，液泵的寿命和运行中的泄漏问题是这种技术在工业上进行商业推广的两个重要瓶颈。

另外，一个闭路液冷散热器及其在设备中的安装都是很复杂的而且成本很高。

通过对芯片外延结构优化设计，使用表面粗化技术等提高芯片内外量子效率，减少无辐射复合产生的晶格振荡，从根本上减少散热组件负荷；通过优化封装结构、材料，选择以铝基为主的金属芯印刷电路板（MCPCB），使用陶瓷、复合金属基板等方法，加快热量从外延层向散热基板散发。

多数厂家还建议在高性能要求场合中使用散热片，依靠强对流散热等方法促进大功率LED散热。

尽管如此，单个LED产品目前也仅处于1～10W级的水平，散热能力仍亟待提高。

相当多的研究将精力集中于寻找高热导率热沉与封装材料，然而当LED功率达到lOW以上时，这种关注遇到了相当大的阻力。

即使施加了风冷强对流方式，牺牲了成本优势，也未能获得令人满意的变化。

LED是个光电器件，其工作过程中只有15%～25%的电能转换成光能，其余的电能几乎都转换成热能，使LED的温度升高。

在大功率LED中，散热是个大问题。

例如，1个10W白光LED若其光电转换效率为20%，则有8W的电能转换成热能，若不加散热措施，则大功率LED的器芯温度会急速上升，当其结温（TJ）上升超过最大允许温度时（一般是150℃），大功率LED会因过热而损坏。

因此在大功率LED灯具设计中，最主要的设计工作就是散热设计。

表2大功率白光LED结温Tj在亮度衰减70%时与寿命的关系

另外，一般功率器件（如电源IC）的散热计算中，只要结温小于最大允许结温温度（一般是125℃）就可以了。

但在大功率LED散热设计中，其结温TJ要求比125℃低得多。

其原因是TJ对LED的出光率及寿命有较大影响：

TJ越高会使LED的出光率越低，寿命越短。

图2  K2系列的内部结构

图1是K2系列白光LED的结温TJ与相对出光率的关系曲线。

在TJ=25℃时，相对出光率为1；TJ=70℃时相对出光率降为0.9；TJ=115℃时，则降到0.8了。

表2是Edison公司给出的大功率白光LED的结温TJ在亮度衰减70%时与寿命的关系（不同LED生产厂家的寿命并不相同，仅做参考）。

图3  NCCWO22的内部结构

在表2中可看出：

TJ=50℃时，寿命为90000小时；TJ=80℃时，寿命降到34000小时；TJ=115℃时，其寿命只有13300小时了。

TJ在散热设计中要提出最大允许结温值TJmax,实际的结温值TJ应小于或等于要求的TJmax,即TJ≤TJmax。

图4  LED与PCB焊接图

　大功率LED的散热路径

大功率LED在结构设计上是十分重视散热的。

图2是Lumiled公司K2系列的内部结构、图3是NICHIA公司NCCW022的内部结构。

从这两图可以看出：

在管芯下面有一个尺寸较大的金属散热垫，它能使管芯的热量通过散热垫传到外面去。

图5  双层敷铜层散热结构

大功率LED是焊在印制板（PCB）上的，PCB（PrintedCircuitBoard），中文名称为印制电路板，又称印刷电路板、印刷线路板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的提供者。

由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为“印刷”电路板。

如图4所示。

散热垫的底面与PCB的敷铜面焊在一起，以较大的敷铜层作散热面。

为提高散热效率，采用双层敷铜层的PCB，其正反面图形如图5所示。

这是一种最简单的散热结构。

图6  散热路径图

热是从温度高处向温度低处散热。

大功率LED主要的散热路径是：

管芯→散热垫→印制板敷铜层→印制板→环境空气。

若LED的结温为TJ，环境空气的温度为TA,散热垫底部的温度为Tc（TJ＞Tc＞TA），散热路径如图6所示。

在热的传导过程中，各种材料的导热性能不同，即有不同的热阻。

若管芯传导到散热垫底面的热阻为RJC（LED的热阻）、散热垫传导到PCB面层敷铜层的热阻为RCB、PCB传导到环境空气的热阻为RBA,则从管芯的结温TJ传导到空气TA的总热阻RJA与各热阻关系为：

RJA=RJC+RCB+RBA

各热阻的单位是℃/W。

当热量在物体内部以热传导的方式传递时，遇到的热阻称为导热热阻。

对于热流经过的截面积不变的平板，导热热阻为L/（kA）。

其中L为平板的厚度，A为平板垂直于热流方向的截面积，k为平板材料的热导率。

可以这样理解：

热阻越小，其导热性能越好，即散热性能越好。

如果LED的散热垫与PCB的敷铜层采用回流焊焊在一起，则RCB=0，则上式可写成：

RJA=RJC+RBA

　散热的计算公式

若结温为TJ、环境温度为TA、LED的功耗为PD,则RJA与TJ、TA及PD的关系为：

RJA=（TJ－TA）/PD

（1）

式中PD的单位是W。

PD与LED的正向压降VF及LED的正向电流IF的关系为：

PD=VF×IF

（2）

如果已测出LED散热垫的温度TC，则

（1）式可写成：

RJA=（TJ－TC）/PD+（TC－TA）/PD

则RJC=（TJ－TC）/PD       （3）

RBA=（TC－TC）/PD    （4）

在散热计算中，当选择了大功率LED后，从数据资料中可找到其RJC值；当确定LED的正向电流IF后，根据LED的VF可计算出PD；若已测出TC的温度，则按（3）式可求出TJ来。

在测TC前，先要做一个实验板（选择某种PCB、确定一定的面积）、焊上LED、输入IF电流，等稳定后，用K型热电偶点温度计测LED的散热垫温度TC。

在（4）式中，TC及TA可以测出，PD可以求出，则RBA值可以计算出来。

若计算出TJ来，代入

（1）式可求出RJA。

这种通过实验、计算出TJ方法是基于用某种PCB及一定散热面积。

如果计算出来的TJ小于要求（或等于）TJmax，则可认为选择的PCB及面积合适；若计算来的TJ大于要求的TJmax，则要更换散热性能更好的PCB，或者增加PCB的散热面积。

另外，若选择的LED的RJC值太大，在设计上也可以更换性能上更好并且RJC值更小的大功率LED，使满足计算出来的TJ≤TJmax。

这一点在计算举例中说明。

　各种不同的PCB

目前应用与大功率LED作散热的PCB有三种：

普通双面敷铜板（FR4）、铝合金基敷铜板（MCPCB）、柔性薄膜PCB用胶粘在铝合金板上的PCB。

MCPCB的结构如图7所示。

各层的厚度尺寸如表3所示。

图7  MCPCB结构图

其散热效果与铜层及金属层厚如度尺寸及绝缘介质的导热性有关。

一般采用35μm铜层及1.5mm铝合金的MCPCB。

柔性PCB粘在铝合金板上的结构如图8所示。

一般采用的各层厚度尺寸如表4所示。

1～3W星状LED采用此结构。

采用高导热性介质的MCPCB有最好的散热性能，但价格较贵。

表4  柔性PCB各层厚度尺寸

图8  散热层结构图

　计算举例

这里采用了NICHIA公司的测量TC的实例中取部分数据作为计算举例。

已知条件如下：

LED：

3W白光LED、型号MCCW022、RJC=16℃/W。

K型热电偶点温度计测量头焊在散热垫上。

PCB实验板：

双层敷铜板（40×40mm）、t=1.6mm、焊接面铜层面积1180mm2背面铜层面积1600mm2。

LED工作状态：

IF=500mA、VF=3.97V。

按图9用K型热电偶点温度计测TC，TC=71℃。

测试时环境温度TA=25℃。

1.TJ计算

TJ=RJC×PD+TC=RJC（IF×VF）+TC

TJ=16℃/W（500mA×3.97V）

+71℃=103℃

图9  TC测量位置图

2.RBA计算

RJA=（TC－TA）/PD

=（71℃－25℃）/1.99W

=23.1℃/W

　　3.RJA计算

RJA=RJC+RBA

=16℃/W+23.1℃/W

=39.1℃/W

如果设计的TJmax=90℃，则按上述条件计算出来的TJ不能满足设计要求，需要改换散热更好的PCB或增大散热面积，并再一次实验及计算，直到满足TJ≤TJmax为止。

另外一种方法是，在采用的LED的RJC值太大时，若更换新型同类产品RJC=9℃/W（IF=500mA时VF=3.65V），其他条件不变，TJ计算为：

TJ=9℃/W（500mA×3.65V）+71℃

=87.4℃

上式计算中71℃有一些误差，应焊上新的9℃/W的LED重新测TC（测出的值比71℃略小）。

这对计算影响不大。

采用了9℃/W的LED后不用改变PCB材质及面积，其TJ符合设计的要求。

　　PCB背面加散热片

若计算出来的TJ比设计要求的TJmax大得多，而且在结构上又不允许增加面积时，可考虑将PCB背面粘在“∪”形的铝型材上（或铝板冲压件上），或粘在散热片上，如图10所示。

这两种方法是在多个大功率LED的灯具设计中常用的。

例如，上述计算举例中，在计算出TJ=103℃的PCB背后粘贴一个10℃/W的散热片，其TJ降到80℃左右。

图10“∪”形铝型材

这里要说明的是，上述TC是在室温条件下测得的（室温一般15～30℃）。

若LED灯使用的环境温度TA大于室温时，则实际的TJ要比在室温测量后计算的TJ要高，所以在设计时要考虑这个因素。

若测试时在恒温箱中进行，其温度调到使用时最高环境温度，为最佳。

另外，PCB是水平安装还是垂直安装，其散热条件不同，对测TC有一定影响，灯具的外壳材料、尺寸及有无散热孔对散热也有影响。

因此，在设计时要留有余地。

　　结束语

采用一定散热面积的PCB、装上LED的实验板，在LED工作状态下测出TC再计算的方法来作散热设计是一种简便、有效的方法，可以较好地设计出满足结温TJmax要求的散热结构（PCB材质及面积）。

这种散热设计方法除适用于大功率白光LED的照明灯具外，也适用于其他发光颜色的大功率LED灯具，如警示灯、装饰灯等