金屬傳導(dǎo)系數(shù)

1、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700lm，發(fā)光效率為35lm/W。2007年開發(fā)的100W白光LED，其光通量為6000lm，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、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 XRE冷白光LED，其最高亮度擋QS在350mA時光

2、通量可達(dá)107114lm。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。      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700lm，發(fā)光效率為35lm/W。2007年開發(fā)的100W白光LED，其光通量為6000lm，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、系列同類產(chǎn)品比較如表1所示。從表中可以看出：K2白光L

3、ED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 XRE冷白光LED，其最高亮度擋QS在350mA時光通量可達(dá)107114lm。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，這幾年逐步采用大功率白光LED來替代5白光LED來設(shè)計新型燈具。例如，用18個2W的白光LED做成的街燈，若采用5白光LED則要

4、幾百個。另外，用一個1.25W的K2系列白光LED，可做成光通量為65lm的強(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。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。目前主要采用13W大功率白光LED作照明燈，因為其發(fā)光效率高、價格低、應(yīng)用靈活。 大功率LED的散熱問題LED是個光電器件，其工作過程中只有15

5、%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，散熱是個大問題。例如，1個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的器芯溫度會急速上升，當(dāng)其結(jié)溫（TJ）上升超過最大允許溫度時（一般是150），大功率LED會因過熱而損壞。因此在大功率LED燈具設(shè)計中，最主要的設(shè)計工作就是散熱設(shè)計。另外，一般功率器件（如電源IC）的散熱計算中，只要結(jié)溫小于最大允許結(jié)溫溫度（一般是125）就可以了。但在大功率LED散熱設(shè)計中，其結(jié)溫TJ要求比125低得多。其原因是TJ對LED的出光率及壽命有較大影響：TJ越高會使L

6、ED的出光率越低，壽命越短。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=25時，相對出光率為1；TJ=70時相對出光率降為0.9；TJ=115時，則降到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）。圖3  NCCWO22的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在表2中可看出：TJ=50時，壽命為90000小時；TJ=80時，壽命降到34000小時；TJ=115時，其壽命只有13300小時了。TJ在散熱設(shè)計中要提出最大允許結(jié)溫值TJmax,實際的結(jié)溫值TJ應(yīng)小于或

7、等于要求的TJmax,即TJTJmax。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)計上是十分重視散熱的。圖2是Lumiled公司K2系列的內(nèi)部結(jié)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，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。這是一種最簡單的散熱結(jié)構(gòu)。圖6  散熱路徑圖熱

8、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印制板環(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（TJTcTA），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/W?？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

9、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散熱的計算公式若結(jié)溫為TJ、環(huán)境溫度為TA、LED的功耗為PD,則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×IF               

10、;       (2)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    

11、0;      (4)在散熱計算中，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，先要做一個實驗板（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型熱電偶點溫度計測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值可以計算出來。若計算出TJ來，代入（1）式可求出RJA。這種通過試驗、計算出TJ方法是基于用某種PCB及一定散熱面積。如果計算出來的TJ小于要求（或等

12、于）TJmax，則可認(rèn)為選擇的PCB及面積合適；若計算來的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足計算出來的TJTJmax。這一點在計算舉例中說明。 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

13、性有關(guān)。一般采用35m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，但價格較貴。圖8  散熱層結(jié)構(gòu)圖 計算舉例這里采用了NICHIA公司的測量TC的實例中取部分?jǐn)?shù)據(jù)作為計算舉例。已知條件如下：LED：3W白光LED、型號MCCW022、RJC=16/W。K型熱電偶點溫度計測量頭焊在散熱墊上。PCB試驗板：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=

14、500mA、VF = 3.97V。按圖9用K型熱電偶點溫度計測TC，TC=71。測試時環(huán)境溫度TA =  25. 1.TJ計算TJ=RJC×PD+TC=RJC（IF×VF）+TCTJ=16/W（500mA×3.97V）   +71=103圖9   TC測量位置圖2.RBA計算RJA=（TCTA）/PD   =（7125）/1.99W   =23.1/W3.RJA計算RJA=RJC+RBA   =16/W+23.1/W   =3

15、9.1/W如果設(shè)計的TJmax=90，則按上述條件計算出來的TJ不能滿足設(shè)計要求，需要改換散熱更好的PCB或增大散熱面積，并再一次試驗及計算，直到滿足TJTJmax為止。另外一種方法是，在采用的LED的RJC值太大時，若更換新型同類產(chǎn)品RJC=9/W(IF=500mA時VF=3.65V)，其他條件不變，TJ計算為：TJ=9/W（500mA×3.65V）+71  =87.4上式計算中71有一些誤差，應(yīng)焊上新的9/W的LED重新測TC（測出的值比71略小）。這對計算影響不大。采用了9/W的LED后不用改變PCB材質(zhì)及面積，其TJ符合設(shè)計的要求。 PCB背面加散熱片若計

16、算出來的TJ比設(shè)計要求的TJmax大得多，而且在結(jié)構(gòu)上又不允許增加面積時，可考慮將PCB背面粘在“”形的鋁型材上（或鋁板沖壓件上），或粘在散熱片上，如圖10所示。這兩種方法是在多個大功率LED的燈具設(shè)計中常用的。例如，上述計算舉例中，在計算出TJ=103的PCB背后粘貼一個10/W的散熱片，其TJ降到80左右。圖10  “”形鋁型材這里要說明的是，上述TC是在室溫條件下測得的（室溫一般1530）。若LED燈使用的環(huán)境溫度TA大于室溫時，則實際的TJ要比在室溫測量后計算的TJ要高，所以在設(shè)計時要考慮這個因素。若測試時在恒溫箱中進(jìn)行，其溫度調(diào)到使用時最高環(huán)境溫度，為最佳。另外，PCB是水

17、平安裝還是垂直安裝，其散熱條件不同，對測TC有一定影響，燈具的外殼材料、尺寸及有無散熱孔對散熱也有影響。因此，在設(shè)計時要留有余地。 結(jié)束語采用一定散熱面積的PCB、裝上LED的試驗板，在LED工作狀態(tài)下測出TC再計算的方法來作散熱設(shè)計是一種簡便、有效的方法，可以較好地設(shè)計出滿足結(jié)溫TJmax要求的散熱結(jié)構(gòu)（PCB材質(zhì)及面積）。這種散熱設(shè)計方法除適用于大功率白光LED的照明燈具外，也適用于其他發(fā)光顏色的大功率LED燈具，如警示燈、裝飾燈等。金屬種類 傳導(dǎo)系數(shù) 銀 429 W/mK 銅 401 W/mK 金 317 W/mK 鋁 237 W/mK 1070型鋁合金 226 W/mK 10

18、50型鋁合金 209 W/mK 6061型鋁合金 155 W/mK 6063型鋁合金 201 W/mK減輕重量就是在提高性能，比如越野車的前后輪，如果使用合格的鋁合金輪圈，使重量減少后，抗沖擊能力有所提高，使用中響應(yīng)能力的提高與越野的樂趣同步上升。 鋁合金及鋁基符合材料在摩托車上使用，尤其是在越野車的使用，比例會越來越高。從目前看，鋁及鋁產(chǎn)品是比多數(shù)鋼鐵稍貴，而比其他有色金屬卻便宜，并且鋁資源的儲量是極大的 世界前端的產(chǎn)品早已用上了鈦、鈹?shù)犬a(chǎn)品，從價格上看，鋁產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用是必然的 關(guān)于鋁合金制品，其重量輕、抗沖擊、耐用等方面優(yōu)勢，在摩托車上逐漸增多，為此查閱了相關(guān)書籍，將自己的粗淺理解獻(xiàn)丑于

19、這里的朋友。鋁是地殼中分布最光桿的元素之一，約為8.8%。僅僅次于氧和硅也就是金屬元素的第一位。近幾十年來，鋁的材料工藝技術(shù)突飛猛進(jìn)，如果想提高性能必然要考慮采用輕金屬及復(fù)合材料。比如活塞，如果摩托車采用鋼制的活塞，其性能只能達(dá)到鋁合金的一半。鋁合金的分兩大類，加工材和鑄造材。加工材目前為8個系，其編號多為4位數(shù)字，有些人以為編號越高越好，其實是不盡正確的。還有的朋友認(rèn)為硬度越高越好，也是有些片面的。變形鋁合金（加工材）方面：1， 1×××系，非熱處理型合金，為純鋁，如1000合金。1×××系導(dǎo)電、導(dǎo)熱性優(yōu)。在表面處理后適合做外觀件，

20、其強(qiáng)度不足，但做為反射板卻不錯，1060、1070可做配電用途及散熱材料2， 2×××系，熱處理型合金，鋁-銅系合金，如2024合金。實際上多為鋁-銅-鎂合金。杜拉鋁、超杜拉鋁（硬鋁）就是指2017、2024等材料，該系材料的強(qiáng)度可與剛相抗衡，由于它含有較多的銅，耐蝕性較差。該系合金的焊接性能較差，在結(jié)合時適宜用鉚接、螺絲固定，以及電阻焊接。3， 3×××系，非熱處理型合金，鋁-錳系合金，如3034合金。多用語建材容器及汽車配管，最常見的是易拉罐。4， 4×××系，非熱處理型合金，鋁-硅系合金，如4043合金。4032添加了硅，抑制他的熱膨脹，改善它的耐熱性，當(dāng)作鍛造活塞材料使用。5， 5×××系，熱處理型合金，鋁-鎂系合金，如5083合金。裝飾材料，如天花板。6， 6××&#