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大功率 LED 封裝和散熱技術(shù)分析

2011-04-13

                                                   大功率 LED 封裝和散熱技術(shù)分析

      全球紡織采購供應(yīng)鏈色彩解決方案商——天友利，近幾年來，越來越多的頂尖零售商和服裝品牌廠家選擇天友利作為自己的優(yōu)選或共選色彩技術(shù)提供商。產(chǎn)品涉及行業(yè)：塑料、 涂料、 紡織、 汽車、 化妝品、 數(shù)碼影像、 印前 、印刷、 油墨、 色覺測試、 包裝等。
      LED 燈具產(chǎn)業(yè)是近 來被認(rèn)為有潛 的產(chǎn)業(yè)之一， 大家都期待 LED 能夠進(jìn)入照明市場， 成為新照明光源， 成為有希望的潛在市場。LED 體積小、效 高、 反應(yīng)時(shí)間快、 產(chǎn)品壽命較其它光源長、 含對環(huán)境有害的汞， 這些都是優(yōu)點(diǎn)。 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 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 公司近開發(fā)的 K2 白光 LED，與其Ⅰ、Ⅲ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、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 X-Lamp XR~E 冷白光 LED，其更高亮度擋 QS 在 350mA 時(shí)光通量可達(dá) 107~114lm。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 Φ5 白光 LED 來做的。如 1~5W 的燈泡、15~20W 的燈管 及 40~60W 的路燈、投射燈等。這些燈具使用了幾十到幾百個(gè) Φ5 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 Φ5 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 Φ5 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 的強(qiáng)光手電筒，照射距離可達(dá)幾十米。若采用 Φ5 白光 LED 來做則是不可能的。 LED 燈具的主要難點(diǎn)是大功率 LED 封裝技術(shù)提升，大功率 LED 封裝由于結(jié)構(gòu)和工藝復(fù)雜，并直接影響到 LED 的使用性能和壽命，一直是近年來的研究熱點(diǎn)，特別是大功率白光 LED 封裝更是研究熱點(diǎn)中的熱點(diǎn)。 但 LED 燈具的重要難點(diǎn)是散熱問題的解決，這會(huì) 低 LED 發(fā)光效 ，尤其大功率 LED 燈具急待解決的。 LED 的主要失效形式之一是熱失效，隨著溫度的升高，不但 LED 的失效率大大增加而且 LED 光衰加劇、壽 命縮短，因此散熱設(shè)計(jì)是 LED 燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可忽略的一個(gè)環(huán)節(jié)。大功率 LED 燈具的外殼防護(hù)等級(jí)一般都 在 IP65 以上，熱量不能通過空氣對流的方式發(fā)散到燈具外部。所以利用良好的導(dǎo)熱途徑將 LED 的熱量傳到燈 具外殼，選擇合適的導(dǎo)熱材料等燈具散熱方面的設(shè)計(jì)直接決定了產(chǎn)品的性能。 下面對大功率 LED 燈具從兩個(gè)方面進(jìn)行分析：封裝技術(shù)與散熱技術(shù)。
一、大功率LED封裝技術(shù)及其發(fā)展：
       LED 封裝的功能主要包括：1.機(jī)械保護(hù)，以提高可靠性；2.加強(qiáng)散熱，以降低芯片結(jié)溫，提高 LED 性能；3.光學(xué)控制，提高出光效率，優(yōu)化光束分布；4.供電管理，包括交流/直流轉(zhuǎn)變，以及電源控制等。 LED 封裝方法、材料、結(jié)構(gòu)和工藝的選擇主要由芯片結(jié)構(gòu)、光電和機(jī)械特性、具體應(yīng)用和成本等因素決定。 經(jīng)過近十幾年的發(fā)展， 特別是對大功率 LED 封裝的光學(xué)、 熱學(xué)、 電學(xué)和機(jī)械結(jié)構(gòu)等提出了更新的和更高的要求。 為了有效地降低封裝熱阻，提高出光效率，必須采用全新的技術(shù)思路來進(jìn)行封裝設(shè)計(jì)。 大功率 LED 封裝主要涉及光、熱、電、結(jié)構(gòu)與工藝等方面，如圖 1 所示。這些因素彼此既相互獨(dú)立，又相互 影響。其中，LED 的封裝：光是目的，熱是關(guān)鍵，電、結(jié)構(gòu)與工藝是手段，而性能是封裝水平的具體體現(xiàn)。從 工藝兼容性及降低生產(chǎn)成本而言，LED 封裝設(shè)計(jì)應(yīng)與芯片設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，即芯片設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)該考慮到封裝結(jié)構(gòu) 和工藝。否則，等芯片制造完成后，可能由于封裝的需要對芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，從而延長了產(chǎn)品研發(fā)周期和工 藝成本，有時(shí)甚至不可能。
    圖 1：大功率 LED 封裝技術(shù) 具體而言，大功率 LED 封裝的關(guān)鍵技術(shù)包括： 1．低熱阻封裝工藝 對于現(xiàn)有的 LED 光效水平而言，由于輸入電能的 80％左右轉(zhuǎn)變成為熱量，且 LED 芯片面積小，因此，芯 片散熱是 LED 封裝必須解決的關(guān)鍵問題。主要包括芯片布置、封裝材料選擇基板材料、熱界面材料與工藝、熱 沉設(shè)計(jì)等。 LED 封裝熱阻主要包括材料（散熱基板和熱沉結(jié)構(gòu)）內(nèi)部熱阻和界面熱阻。散熱基板的作用就是吸收芯片 產(chǎn)生的熱量， 并傳導(dǎo)到熱沉上， 實(shí)現(xiàn)與外界的熱交換。 常用的散熱基板材料包括硅、 （如鋁， 、 （如， 金屬 銅） 陶瓷 AlN，SiC）和復(fù)合材料等。如 Nichia 公司的第三代 LED 采用 CuW 做襯底，將 1mm 芯片倒裝在 CuW 襯底上， 降低了封裝熱阻，提高了發(fā)光功率和效率；Lamina Ceramics 公司則研制了低溫共燒陶瓷金屬基板，如圖 2（a） ， 并開發(fā)了相應(yīng)的 LED 封裝技術(shù)。該技術(shù)首先制備出適于共晶焊的大功率 LED 芯片和相應(yīng)的陶瓷基板，然后將 LED 芯片與基板直接焊接在一起。由于該基板上集成了共晶焊層、靜電保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路及控制補(bǔ)償電路， 不僅結(jié)構(gòu)簡單，而且由于材料熱導(dǎo)率高，熱界面少，大大提高了散熱性能，為大功率 LED 陣列封裝提出了解決 方案。德國 Curmilk 公司研制的高導(dǎo)熱性覆銅陶瓷板，由陶瓷基板（AlN 或）和導(dǎo)電層（Cu）在高溫高壓下燒 結(jié)而成，沒有使用黏結(jié)劑，因此導(dǎo)熱性能好、強(qiáng)度高、絕緣性強(qiáng)，如圖 2（b）所示。其中氮化鋁（AlN）的熱 導(dǎo)率為 160W/mk，熱膨脹系數(shù)為（與硅的熱膨脹系數(shù)相當(dāng)） ，從而降低了封裝熱應(yīng)力。
    圖 2：封裝熱應(yīng)力 研究表明，封裝界面對熱阻影響也很大，如果不能正確處理界面，就難以獲得良好的散熱效果。例如，室溫下 接觸良好的界面在高溫下可能存在界面間隙， 基板的翹曲也可能會(huì)影響鍵合和局部的散熱。 改善 LED 封裝的關(guān) 鍵在于減少界面和界面接觸熱阻，增強(qiáng)散熱。因此，芯片和散熱基板間的熱界面材料（TIM）選擇十分重要。 LED 封裝常用的 TIM 為導(dǎo)電膠和導(dǎo)熱膠，由于熱導(dǎo)率較低，一般為 0.5-2.5W/mK，致使界面熱阻很高。而采用 低溫或共晶焊料、焊膏或者內(nèi)摻納米顆粒的導(dǎo)電膠作為熱界面材料，可大大降低界面熱阻。 2．高聚光率封裝結(jié)構(gòu)與工藝 在 LED 使用過程中，輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子在向外發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的損失，主要包括三個(gè)方面：芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺 陷以及材料的吸收；光子在出射界面由于折射率差引起的反射損失；以及由于入射角大于全反射臨界角而引起 的全反射損失。因此，很多光線無法從芯片中出射到外部。通過在芯片表面涂覆一層折射率相對較高的透明膠 層(灌封膠)，由于該膠層處于芯片和空氣之間，從而有效減少了光子在界面的損失，提高了取光效率。此外， 灌封膠的作用還包括對芯片進(jìn)行機(jī)械保護(hù)，應(yīng)力釋放，并作為一種光導(dǎo)結(jié)構(gòu)。因此，要求其透光率高，折射率 高，熱穩(wěn)定性好，流動(dòng)性好，易于噴涂。為提高 LED 封裝的可靠性，還要求灌封膠具有低吸濕性、低應(yīng)力、耐 老化等特性。目前常用的灌封膠包括環(huán)氧樹脂和硅膠。硅膠由于具有透光率高，折射率大，熱穩(wěn)定性好，應(yīng)力 小，吸濕性低等特點(diǎn)，明顯優(yōu)于環(huán)氧樹脂，在大功率 LED 封裝中得到廣泛應(yīng)用，但成本較高。研究表明，提高 硅膠折射率可有效減少折射率物理屏障帶來的光子損失，提高外量子效率，但硅膠性能受環(huán)境溫度影響較大。 隨著溫度升高，硅膠內(nèi)部的熱應(yīng)力加大，導(dǎo)致硅膠的折射率降低，從而影響 LED 光效和光強(qiáng)分布。 熒光粉的作用在于光色復(fù)合，形成白光。其特性主要包括粒度、形狀、發(fā)光效率、轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性（熱 和化學(xué)）等，其中，發(fā)光效率和轉(zhuǎn)換效率是關(guān)鍵。研究表明，隨著溫度上升，熒光粉量子效率降低，出光減少， 輻射波長也會(huì)發(fā)生變化，從而引起白光 LED 色溫、色度的變化，較高的溫度還會(huì)加速熒光粉的老化。原因在于 熒光粉涂層是由環(huán)氧或硅膠與熒光粉調(diào)配而成，散熱性能較差，當(dāng)受到紫光或紫外光的輻射時(shí)，易發(fā)生溫度猝 滅和老化， 使發(fā)光效率降低。 此外， 高溫下灌封膠和熒光粉的熱穩(wěn)定性也存在問題。 由于常用熒光粉尺寸在 1um 以上，折射率大于或等于 1.85，而硅膠折射率一般在 1.5 左右。由于兩者間折射率的不匹配，以及熒光粉顆粒 尺寸遠(yuǎn)大于光散射極限（30nm） ，因而在熒光粉顆粒表面存在光散射，降低了出光效率。通過在硅膠中摻入納 米熒光粉，可使折射率提高到 1.8 以上，降低光散射，提高 LED 出光效率（10％-20％） ，并能有效改善光色質(zhì) 量。 傳統(tǒng)的熒光粉涂敷方式是將熒光粉與灌封膠混合，然后點(diǎn)涂在芯片上。由于無法對熒光粉的涂敷厚度和形 狀進(jìn)行精確控制，導(dǎo)致出射光色彩不一致，出現(xiàn)偏藍(lán)光或者偏黃光。而 LumiLEDs 公司開發(fā)的保形涂層 （Conformal coating）技術(shù)可實(shí)現(xiàn)熒光粉的均勻涂覆，保障了光色的均勻性，如圖 3（b） 。但研究表明，當(dāng)熒光 粉直接涂覆在芯片表面時(shí)，由于光散射的存在，出光效率較低。有鑒于此，美國 RenssELaer 研究所提出了一 種光子散射萃取工藝（Scattered Photon Extraction method，SPE)，通過在芯片表面布置一個(gè)聚焦透鏡，并將含 熒光粉的玻璃片置于距芯片一定位置，不僅提高了器件可靠性，而且大大提高了光效（60％） ，如圖 3(c)。
    圖 3：大功率 LED 封裝結(jié)構(gòu) 總體而言，為提高 LED 的出光效率和可靠性，封裝膠層有逐漸被高折射率透明玻璃或微晶玻璃等取代的趨 勢， 通過將熒光粉內(nèi)摻或外涂于玻璃表面， 不僅提高了熒光粉的均勻度， 而且提高了封裝效率。 此外， 減少 LED 出光方向的光學(xué)界面數(shù)，也是提高出光效率的有效措施。 3．陣列封裝與系統(tǒng)集成技術(shù) 經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，LED 封裝技術(shù)和結(jié)構(gòu)先后經(jīng)歷了四個(gè)階段，如圖 4 所示。
    圖 4：LED 封裝技術(shù)和結(jié)構(gòu)發(fā)展
二、大功率LED散熱技術(shù)分析
    如果大功率LED在正常發(fā)光狀態(tài)其熱能無法導(dǎo)出，將影響 LED 發(fā)光效 。70%的 LED 會(huì)因?yàn)檫^高的接面溫 而產(chǎn)生故障：LED 的產(chǎn)品生命周期、 、產(chǎn)品穩(wěn)定性等都會(huì)隨接面溫 提高而衰竭。當(dāng) LED 熱源無法有效導(dǎo) 出，將導(dǎo)致 LED 接面溫 (Junction Temperature)升高，隨之影響到的將是光的輸出效 衰減。如圖 5 所示， 接面溫 與發(fā)光效 之關(guān)系隨著 LED 晶 的提升， 單顆 LED 的功耗瓦數(shù)亦從 0.1W 提高至 1W、 及 5W 以 3W 上，那么 LED 封裝模塊的熱阻抗(Thermal Resistance)由 250 至 350K/W 大幅 低至現(xiàn)在的小于 5K/W 以下。 由于這樣的技術(shù)發(fā)展，使得 LED 面臨到日益嚴(yán)荷的熱管 挑戰(zhàn)，LED 的熱較 IC 低，溫 升高時(shí) 僅會(huì)造成
    下降，且溫 超過 100°C 時(shí)將加速組件的 化，那么 LED 組件本身的散熱技術(shù)就必需進(jìn)一步改善以滿足高 功 LED 的散熱需求。
    圖 5：接面溫度與發(fā)光效率的關(guān)系 圖 6 所示，LED 溫 與壽命關(guān)系圖。對接面溫 說、溫 影響到了不只是效 或壽命等關(guān)系、接面溫 越 高而無法排除、后結(jié)果卻是影響到 LED 其壽命、溫 越高其壽命衰減越快、所以在圖 6 中顯示出溫 控 制的重要性。
    圖 6：LED 溫 與壽命關(guān)系圖。 1．LED 結(jié)溫的定義及其分析： LED 的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)半導(dǎo)體的 PN 結(jié)，它是個(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， LED 的溫度升高。 使 實(shí)驗(yàn)指出： 當(dāng)電流流過 LED 元件時(shí)， 結(jié)的溫度將上升， PN 嚴(yán)格意義上說，就把 PN 結(jié)區(qū)的溫度定義為 LED 的結(jié)溫。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我們也可 把 LED 芯片的溫度視之為結(jié)溫。（通常用 Tj 表示）。產(chǎn)生 LED 結(jié)溫的原因有哪些？ ◆在 LED 工作時(shí)，可存在以下四種情況促使結(jié)溫不同程度的上升： A、元件不良的電極結(jié)構(gòu)，視窗層襯底或結(jié)區(qū)的材料以及導(dǎo)電銀膠等均存在一定的電阻值，這些電阻相互壘加， 構(gòu)成 LED 元件的串聯(lián)電阻。當(dāng)電流流過 PN 結(jié)時(shí)，同時(shí)也會(huì)流過這些電阻，從而產(chǎn)生焦耳熱，引致芯片溫度或 結(jié)溫的升高。 B、由于 PN 結(jié)不可能極端完美，元件的注入效率不會(huì)達(dá)到 100％，也即是說，在 LED 工作時(shí)除 P 區(qū)向 N 區(qū)注 入電荷(空穴)外，N 區(qū)也會(huì)向 P 區(qū)注人電荷(電子)，一般情況下，后一類的電荷注人不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)，而以發(fā)
    熱的形式消耗掉了。即使有用的那部分注入電荷，也不會(huì)全部變成光，有一部分與結(jié)區(qū)的雜質(zhì)或缺陷相結(jié)合， 也會(huì)變成熱。 C、 實(shí)踐證明， 出光效率的限制是導(dǎo)致 LED 結(jié)溫升高的主要原因。 目前， 先進(jìn)的材料與元件制造工藝已能使 LED 極大多數(shù)輸入電能轉(zhuǎn)換成光輻射能，然而由于 LED 芯片材料與周圍介質(zhì)相比，具有大得多的折射系數(shù)，致使芯 片內(nèi)部產(chǎn)生的極大部分光子(>90％)無法順利地溢出介面，而在芯片與介質(zhì)介面產(chǎn)生全反射，返回芯片內(nèi)部并通 過多次內(nèi)部反射被芯片材料或襯底吸收，并以晶格振動(dòng)的形式變成熱，促使結(jié)溫升高。 D、LED 元件的熱散失能力是決定結(jié)溫高低的又一個(gè)關(guān)鍵條件。散熱能力強(qiáng)時(shí)，結(jié)溫下降，反之，散熱能力差 時(shí)結(jié)溫將上升。由于環(huán)氧樹脂膠是低熱導(dǎo)材料，因此 PN 結(jié)處產(chǎn)生的熱量很難通過透明環(huán)氧樹脂膠向上散發(fā)到 環(huán)境中去，大部分熱量通過襯底、銀漿、管殼、環(huán)氧樹脂膠粘接層，PCB 與熱沉向下發(fā)散。顯然，相關(guān)材料的 導(dǎo)熱能力將直接影響元件的熱散失效率。 一個(gè)普通型的 LED， PN 結(jié)區(qū)到環(huán)境溫度的總熱阻在 300 到 600℃/W 從 之間，對于一個(gè)具有良好結(jié)構(gòu)的功率型 LED 元件，其總熱阻約為 15 到 30℃/W。巨大的熱阻差異表明普通型 LED 元件只能在很小的輸入功率條件下，才能正常地工作，而功率型元件的耗散功率可大到瓦級(jí)甚至更高。 2．降低 LED 結(jié)溫的途徑有哪些？ 從五個(gè)方面去考慮：A、減少 LED 本身的熱阻；B、良好的二次散熱機(jī)構(gòu)；C、減少 LED 與二次散熱機(jī)構(gòu)安 裝介面之間的熱阻；D、控制額定輸入功率；E、降低使用環(huán)境溫度。 LED 的輸入功率是元件熱效應(yīng)的來源，能量的一部分變成了輻射光能，其余部分均變成了熱，從而提 升了元件的溫度。 顯然， 減小 LED 溫升效應(yīng)的主要方法， 一是設(shè)法提高元件的電光轉(zhuǎn)換效率 （又稱外量子效率） ， 使盡可能多的輸入功率轉(zhuǎn)變成光能，另一個(gè)重要的途徑是設(shè)法提高元件的熱散失能力，使結(jié)溫產(chǎn)生的熱，通過 各種途徑散發(fā)到周圍環(huán)境中去。 3．降低 LED 結(jié)溫和大功率 LED 的散熱處理： 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）上升超過大允許溫 度時(shí)（一般是 150℃），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，主要的設(shè)計(jì)工作就 是散熱設(shè)計(jì)。下表是 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）。
    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(jì)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(huì)使 LED 的出光率越低，壽命越短。
    圖 7：Lumiled 公司 K2 系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 7 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(shí)，相對出光率為 1；Tj=70℃ 時(shí)相對出光率降為 0.9；Tj=115℃時(shí)，則降到 0.8 了。
    圖 8 ：NICHIA 公司 NCCWO22 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 在上表中可看出：Tj=50℃時(shí)，壽命為 90000 小時(shí)；Tj=80℃時(shí)，壽命降到 34000 小時(shí)；Tj=115℃時(shí)，其壽 命只有 13300 小時(shí)了。Tj 在散熱設(shè)計(jì)中要提出大允許結(jié)溫值 Tj〔max〕，實(shí)際的結(jié)溫值 Tj 應(yīng)小于或等于要求 的 Tj〔max〕,即 Tj ≤Tj〔max〕。
    圖 9： LED 與 PCB 焊接圖 的散熱路徑： 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 7 是 Lumiled 公司 K2 系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、圖 9 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 10： 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 9 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 10 所示。這是一種簡單 的散熱結(jié)構(gòu)。
    圖 11：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→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（Tj＞Tc＞Ta），散熱路徑 如圖 11 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 LED 芯片傳導(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 LED 芯片的結(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。 可以這樣理解：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: 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，則 RJA 與 Tj、Ta 及 PD 的關(guān)系為： RJA=（Tj－Ta）/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 〔2〕 如果已測出 LED 散熱墊的溫度 Tc，則〔1〕式可寫成： RJA=(Tj－Tc)/PD+(Tc－Ta)/PD 〔3〕 則 RJC=(Tj－Tc)/PD RBA=(Tc－Ta)/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 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） Tj〔max〕，則可認(rèn)為選擇的 PCB 及面積合適；若計(jì)算來的 Tj 大于要求的 Tj〔max〕，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 Tj ≤Tj〔max〕。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 用膠粘在鋁合金板上的 PCB。 MCPCB 的結(jié)構(gòu)如圖 12 所示。
    圖 12： 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 35μm 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 13 所示。一般采用的各層厚度尺寸如下表所示。1～3W 星狀 LED 采用此結(jié)構(gòu)。 采用高導(dǎo)熱性介質(zhì)的 MCPCB 有更好的散熱性能，但價(jià)格較貴。
    圖 13： 散熱層結(jié)構(gòu)圖 計(jì)算舉例: 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) MCCW022、RJC=16℃/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 14 用 K 型熱電偶點(diǎn)溫度計(jì)測 Tc，Tc=71℃。測試時(shí)環(huán)境溫度 Ta= 25℃. ①.Tj 計(jì)算 Tj=RJC × PD + Tc = RJC（IF×VF）+Tc = 16℃/W（500mA×3.97V）+71℃=103℃
    圖 14：Tc 測量位置圖 ②.RBA 計(jì)算：RBA=（Tc－Ta）/PD =（71℃－25℃）/1.99W = 23.1℃/W 計(jì)算 ③.RJA 計(jì)算 計(jì)算：RJA=RJC+RBA=16℃/W+23.1℃/W=39.1℃/W 如果設(shè)計(jì)的 Tj〔max〕=90℃，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 ≤Tj〔max〕為止。 若更換新型同類產(chǎn)品 RJC=9℃/W (IF=500mA 時(shí) VF=3.65V)， 另外一種方法是， 在采用的 LED 的 RJC 值太大時(shí)， 其他條件不變，Tj 計(jì)算為：Tj=9℃/W（500mA×3.65V）+71℃=87.4℃ 上式計(jì)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(jì)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(jì)的要求。 PCB 背面加散熱片 若計(jì)算出來的 Tj 比設(shè)計(jì)要求的 Tj〔max〕大得多，而且在結(jié)構(gòu)上又不允許增加面積時(shí)，可考慮將 PCB 背 面粘在“U”形的鋁型材上 （或鋁板沖壓件上） 或粘在散熱片上， ， 如圖 15 所示。 這兩種方法是在多個(gè)大功率 LED 的燈具設(shè)計(jì)中常用的。例如，上述計(jì)算舉例中，在計(jì)算出 Tj=103℃的 PCB 背后粘貼一個(gè) 10℃/W 的散熱片，其 Tj 降到 80℃左右。
    圖 15：“U”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 15～30℃）。若 LED 燈使用的環(huán)境溫度 Ta 大于室溫時(shí)，則實(shí)際的 Tj 要比在室溫測量后計(jì)算的 Tj 要高，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮這個(gè)因素。若測試時(shí)在恒溫 箱中進(jìn)行，其溫度調(diào)到使用時(shí)更高環(huán)境溫度，為更佳。 另外，PCB 是水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(jì)時(shí)要留有余地。 4．結(jié)束語 結(jié)束語 采用一定散熱面積的 PCB、裝上 LED 的試驗(yàn)板，在 LED 工作狀態(tài)下測出 TC 再計(jì)算的方法來作散熱設(shè)計(jì)是 一種簡便、有效的方法，可以較好地設(shè)計(jì)出滿足結(jié)溫 Tj〔max〕要求的散熱結(jié)構(gòu)（PCB 材質(zhì)及面積）。 這種散熱設(shè)計(jì)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。
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