大功率LED的散熱設(shè)計(jì)方案

1、大功率LED的散熱設(shè)計(jì)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(jià)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7001m，發(fā)光效率為35lm/W。2007年開發(fā)的100W白光LED，其光 通量為60001m,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I、川系列同類產(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 XR

2、E冷白光LED，其最高亮度擋QS在350mA時(shí)光通量可達(dá)107 1141m。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(gè)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(diǎn)，這幾年逐步采用大功率白光LED來替代5白光LED來設(shè)計(jì)新型燈具。例如，用18個(gè)2W的白光LED做成的街燈， 若采用5白光LED則要幾百個(gè)。另外，用一個(gè) 1.25W的K2系列白光LED， 可做成光通量為65lm的

3、強(qiáng)光手電筒，照射距離可達(dá)幾十米。若采用5白光LED 來做則是不可能的。IHFl廠I" T 補(bǔ)！1一因圖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(jià)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(dòng)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(shí)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

4、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(tái)灣進(jìn)口價(jià)格很高。相比之下小功率芯片不僅 國內(nèi)貨源充足組合成同樣的功率價(jià)格也相對較低 1。除此之外多芯片 LED 陣列 還有獨(dú)特的優(yōu)勢：通過不同 LED 芯片的串并聯(lián)組合可以實(shí)現(xiàn)各種不同的額定電 壓和電流更好地適應(yīng) 驅(qū)動(dòng)器 設(shè)計(jì)單位面積的芯片數(shù)可多可少可以封裝成各種不 同的點(diǎn)和面 光源 可以加入不同顏色的發(fā)光芯片實(shí)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(huì)使 LED芯片結(jié)溫過高

5、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(huì)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(huì)隨著溫度升高而降低 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(jià)值。目前主要采用13W大功率白光LED作照明燈，因?yàn)槠浒l(fā)光效率高、價(jià)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

6、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缺點(diǎn)， 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(shí)， 脆弱的芯片所受壓力也會(huì)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(huì)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

7、，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(gè)重要瓶頸。 另外，一個(gè)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(jì)，使用表面粗化技術(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(gè)

8、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10 W以上時(shí)，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(gè)光電器件，其工作過程中只有 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(gè) 大問題。例如，1個(gè)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(huì)急速上升，當(dāng)其結(jié) 溫（TJ）上升超過最大允許溫度時(shí)（一般是 150C）

9、，大功率LED會(huì)因過熱而 損壞。因此在大功率LED燈具設(shè)計(jì)中，最主要的設(shè)計(jì)工作就是散熱設(shè)計(jì)。3表2大功率白光LED結(jié)溫Tj在亮度衰減70%時(shí)與壽命的關(guān)系另外，一般功率器件（如 電源IC）的散熱計(jì)算中，只要結(jié)溫小于最大允許 結(jié)溫溫度（一般是125C）就可以了。但在大功率 LED散熱設(shè)計(jì)中，其結(jié)溫TJ 要求比125C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(huì)使LED的出光率越低，壽命越短。la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=25C 時(shí)，相對出光率為1; TJ=70C時(shí)相對出光率降為 0.9; TJ=115C時(shí)，則降

10、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(shí)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）。 二'1 H-iaa呂圖3 NCCWO22的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在表2中可看出：TJ=50C時(shí)，壽命為90000小時(shí)；TJ=80C時(shí)，壽命降到34000小時(shí)；TJ=115C時(shí)，其壽命只有13300小時(shí)了。TJ在散熱設(shè)計(jì)中要提出最 大允許結(jié)溫值TJmax,實(shí)際的結(jié)溫值TJ應(yīng)小于或等于要求的TJmax,即TJNJmax。兇一圖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(jì)上是十分重視散熱的。圖2是Lumiled公司K2系列 的內(nèi)部結(jié)

11、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(gè)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

12、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-印制板敷銅層一印制板一環(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 (TJ>Tc>TA)，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)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C /W。當(dāng)熱量在物體

13、內(nèi)部以熱傳導(dǎo)的方式傳遞時(shí)， 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(jì)算公式若結(jié)溫為TJ、環(huán)境溫度為TA、LED的功耗為PD貝U RJA與TJ、TA及PD 的關(guān)系為：RJA=（TJTA）/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=VF XIF （2

14、）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(jì)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(jì)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(gè)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)溫度計(jì)測LED的散熱墊溫度 TC。在（4）式中，TC及TA可以測出，PD可以求出，則RBA值可以計(jì)算出來。若計(jì)算出

15、TJ 來，代入（ 1）式可求出 RJA。這種通過試驗(yàn)、計(jì)算出TJ方法是基于用某種PCB及一定散熱面積。如果計(jì) 算出來的TJ小于要求（或等于）TJmax,貝U可認(rèn)為選擇的PCB及面積合適；若 計(jì)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(jì)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(jì)算出來的TJMTJmax。這一點(diǎn)在計(jì)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）、 鋁合金基敷銅板（MCPCB）、柔性薄膜PCB用膠粘在鋁合金板

16、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35 口 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(jià)格較貴。I Tfiw fci ar si 耳 *応ra表4柔性PCB各層厚度尺寸因圖8散熱層結(jié)構(gòu)圖計(jì)算舉例這里采用了 NICHIA公司的測量TC的實(shí)例中取部分?jǐn)?shù)據(jù)作為計(jì)算舉例。已 知條件如下:LED: 3W白光LED、型號(hào) MCCW0

17、22、RJC=16°C/W。 K型熱電偶點(diǎn)溫度 計(jì)測量頭焊在散熱墊上。PCB試驗(yàn)板：雙層敷銅板(40>40mm)、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(diǎn)溫度計(jì)測TC ,TC=71Co測試時(shí)環(huán)境溫度TA= 25 C。1. TJ計(jì)算TJ=RJCXPD+TC=RJC (IF WF) +TCTJ=16C /W (500mA X3.97V)+71 C =103Ca圖9 TC測量位置圖2. RBA計(jì)算RJA= (TC TA) /PD=(71 C 25C) /1.99W=23.1

18、C /W3. RJA計(jì)算RJA=RJC+RBA=16C /W+23.1 C /W=39.1 C /W如果設(shè)計(jì)的TJmax=90°C，則按上述條件計(jì)算出來的 TJ不能滿足設(shè)計(jì)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(yàn)及計(jì)算，直到滿足 TJ <TJmax 為止。另外一種方法是，在采用的LED的RJC值太大時(shí)，若更換新型同類產(chǎn)品RJC=9C/W （IF=500mA 時(shí) VF=3.65V），其他條件不變，TJ 計(jì)算為：TJ=9C /W （500mA X3.65V） +71 C=87.4C上式計(jì)算中71C有一些誤差，應(yīng)焊上新的 9C/W的LED重新測TC （測出 的值比71 C略?。＿@對計(jì)算影響不