LED散熱分析

　　四.各種電路基板的導熱

　　在把LED連接到散熱器之前，首先要把它們焊接到電路中去，因為首先要把這些LED連接成幾串幾并，同時還要把他們和恒流源在電路上連接起來。最簡單的辦法是把它們直接焊接到普通印制板上去。對于一些很小功率的LED，例如LED指示燈的確是可以這樣做的。但是對于大多數(shù)高亮度和高功率LED來說，普通玻璃纖維印制板的導熱性能就顯得太差了，而必須改成用銅基板或鋁基板甚至陶瓷覆銅板。各種基板的性能如下：

　　基板類型特點

　　普通印制電路板技術成熟，具有Layout上的優(yōu)勢，散熱性能差、尺寸大，只適合于低功率產(chǎn)品

　　柔性印制電路重量輕，可彎性，厚度薄， 熱傳導率約為：2~3W/mK

　　高導熱系數(shù)鋁基板印制板基底為鋁板，熱傳導率約為1~2.2W/mK

　　陶瓷覆銅板DCB熱傳導率高，約200~800W/mK，制作困難，不易量產(chǎn)

4.1鋁基板

　　目前幾乎絕大多數(shù)的LED燈具中都采用了鋁基板。鋁基板上電路的銅箔為了要導電和導熱要有足夠的厚度和寬度，其厚度在35μm-280μm之間。其寬度最好盡可能布滿整個基板，以便把熱傳下去。而下面一層絕緣體則要求其絕緣性能很好，而且還要導熱性能很好。然而這兩個性能是矛盾的，通常都是導體的導熱性能好，而絕緣體的導熱性能差。又要導熱好又要絕緣好是很難做到的。也是一種科研的課題。目前采用的是一種摻有陶瓷填充物的改性環(huán)氧樹脂或環(huán)氧玻璃布粘結片。通過熱壓把銅箔絕緣體和鋁板粘結起來。有一些LED燈具，雖然散熱器是經(jīng)過精心設計，但是很快就壞，問題就是出在采用了熱阻很大的鋁基板或是剝離強度很差的鋁基板。用一段時間，電路薄膜就翹了起來，也就完全無法導熱，很快就燒壞LED。

　　對于優(yōu)質鋁基板通常要求其熱阻小于1°C/W。下表是某種鋁基板的規(guī)格：

　　性能指標I型鋁基板II型鋁基板

　　熱阻(°C/W)鋁板厚1.5mm0.90.9

　　剝離強度(N/mm)1.82.0

　　絕緣電阻(MΩ)107106

　　擊穿電壓(KV)>3>3

　　熱沖擊(260°C) S(秒)120120

　　燃燒性UL94V-0UL94V-0

　　銅箔厚 (mm)0.018,0.035,0.070

　　尺寸規(guī)格 (mm)500x600x(0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0)

　　國外和臺灣已經(jīng)能夠生產(chǎn)一種“全膠鋁基板”。所謂全膠是指它的絕緣層完全不用絕緣布，而是用一種絕緣膠。采用絕緣布的鋁基板的熱阻實際上通常在1.7-3.2°C/W。而采用全膠的鋁基板的熱阻可以做到0.05°C/W，市場出售的商品也可以低至0.2-0.5°C/W。

　　一種性能更好的鋁基板是采用直接在鋁板上生成陶瓷印制電路。先在鋁的表面用微弧氧化生長一層100μm厚的氧化鋁薄膜，再用濺射或絲網(wǎng)印刷制作電路層。采用這種方法的最大優(yōu)點是結合力強，而且導熱系數(shù)高達2.1W/m.K，而且氧化層的熱膨脹系數(shù)和鋁差不多，所以它的剝離強度高達5N/mm以上。只是因為這種陶瓷鋁基板的加工制造過程復雜，成本高，所以還很少采用。

　　雖然鋁基板只是一種特殊的印制板，但是它卻承擔著很重的散熱任務，不僅絕緣層的導熱要好，粘結要牢，而且它的外形還必須和散熱器的外形配合，例如，在路燈里，通常是長方形的外形，在射燈中，通常是圓形的，而在日光燈中，通常是長條形的。為了得到更好的導熱性，也有時采用導熱更好的銅基板，只是其價錢要更貴。而且最后還是要連接到鋁制散熱器上去。有可能會產(chǎn)生熱膨脹系數(shù)不同而裂開的問題。

　　4.2導熱膠和導熱雙面膠帶

　　鋁基板雖然已經(jīng)解決了從LED連接到以鋁板為基板的電路上，可以把熱傳遞到鋁板上，但是遺憾的是，這個鋁板往往還不是最終的散熱器，通常還要把這個鋁板連接到真正的散熱器上去。最簡單的方法就是用鉚釘或螺釘?shù)姆椒ㄟB接到散熱器。但是這種方法往往會形成空氣隙，而很小的空氣隙產(chǎn)生的熱阻會比其他熱阻大幾十倍。因為空氣的導熱系數(shù)為0.023W/m?k。所以必須涂上導熱膠來填充空隙。一般的導熱硅膠的導熱系數(shù)大約在1-2W/m?k。

　　但是導熱膠必須要流動性好，不然的話由于涂抹不均勻仍然會產(chǎn)生氣隙，可能比不用還壞。導熱膠的另一個缺點是本身的粘性不足以把鋁基板固定在鋁散熱器上。

　　所以另一種方法是采用有很強黏結性而又導熱的雙面膠片。這種導熱膠片是使用丙烯系列材料制造出來帶有粘性的熱傳導片，它是屬于有粘性和低熱抵抗的散熱材料。而且具備熱傳導性和柔軟性，可以緊貼零件上的凹凸部位，從而防止了氣隙的存在。導熱硅膠片的導熱系數(shù)通常在2-3W/m?k之間。它的抗拉強度可達8kg/cm2。足以黏結鋁基板和鋁散熱器。耐壓可達4KV/mm。

　　4.3柔性印制板

　　從鋁基板的構造人們一定會產(chǎn)生這樣的疑問，為什么印制電路要先粘到一個薄鋁板上而不是直接粘到散熱器上?這樣還可以省去鉆孔、涂導熱膠、擰螺釘?shù)裙ば颍疫€可以省掉導熱膠的熱阻。主要原因是散熱器的形狀一般不是簡單的平面，要熱壓黏結比較困難，而且散熱器是由燈具廠設計制造的，而鋁基板則是由印制板廠制造的。解決這個問題的方法是采用柔性印制板再貼到鋁散熱器上去。

　　4.4LED直接焊到鋁散熱器上去。這是一種更為革命的徹底解決方法。對于1W以上的大功率LED，通常它的散熱銅底板是和兩個電極是絕緣的。為了使它能夠更直接散熱，最好把它的散熱底板直接和散熱器焊接在一起?？墒且话愕纳崞鞫际卿X合金制成的，是無法焊接的。如果采用銅散熱器當然可以解決這個問題，但是無論是價錢和重量都是無法接受的。一個簡單的解決方法是在鋁散熱器上噴鍍銅。然后再在柔性印制板上打洞，使得LED的銅底板直接暴露在散熱器面上，然后采用低溫焊錫進行焊接。這種方法可以免除掉鋁基板的熱阻和導熱硅膠或硅片的熱阻。從而大大提高了散熱效率。總之，LED到散熱器之間的界面越少越好。

　　五.熱管導熱

　　在很多場合需要把LED所產(chǎn)生的熱量以最快的速度傳送到散熱器，這在采用集成式的單片大功率LED中尤其重要，因為它的熱量很大(功率可達50W-100W)又很集中(有時只有30mm)，這時候就必須采用熱管散熱。

　　熱管也稱為相變導熱器，因為在其中的液體從液相變?yōu)闅庀喽鴮?。它的熱阻非常小，大約只有0.065°C/W。

　　圖7.熱管導熱原理

　　其內壁采用銅粉燒結，以利于變回液相的載熱體吸附其上而回流。然而，熱管只能把熱傳送到遠端，而并沒有把熱量散發(fā)到空氣中去。所以即使采用熱管，還是需要有普通的鋁散熱器把熱量散發(fā)出去。再次要提醒注意的是，采用銅熱管以后，要特別注意它和前端的鋁基板以及后端的鋁散熱器的結合部一定要互相緊密地接觸并防止由于熱膨脹系數(shù)的不同而脫開。在其結合部要采用高質量的導熱硅膠涂敷。

　　導熱效果更好的是回路熱管

　　圖8.回路熱管

　　回路熱管的最大優(yōu)點就是它的不需要外加動力裝置就可以循環(huán)導熱、導熱距離長，傳送功率大(幾百瓦)，形狀多樣性和不受重力要求的限制，也就是說它可以任意放置。臺灣的陽杰科技公司采用了回路熱管技術以后，150W的LED路燈重量只有8.5公斤，100W的LED路燈，重量只有5.5公斤。

　　各部分的導熱能力也可以用系統(tǒng)的熱阻來說明，一個LED燈具的結構圖見圖9。

　　圖9.LED燈具的散熱結構圖

　　從圖中可以看出，LED芯片所產(chǎn)生的熱，從它的金屬散熱塊出來，先經(jīng)過焊料到鋁基板的PCB，再通過導熱膠才到鋁散熱器。而要定量地了解LED芯片的散熱過程，最好利用熱阻的概念。熱量就好像電荷，熱量流動起來就好像電流，流動的過程中會遇到阻力，就好像電阻，在這里我們稱之為熱阻。熱阻的單位為每瓦多少度(°C/W)，也就是每流過1瓦的功率會上升多少度。如果知道所需耗散的功率，