高功率LED應(yīng)用的散熱設(shè)計(jì)

在全球性的能源短缺和環(huán)境污染加劇的今天，LED以其節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)有著廣闊的應(yīng)用空間。LED燈具由LED器件、散熱結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)器、透鏡組成。如果LED器件不能很好散熱、它的壽命也會(huì)受影響。根據(jù)Cree XLamp XR-E 的測試報(bào)告，LED器件溫度越低，越能延長LED燈的壽命。因此，解決熱量管理問題已成為高亮度LED應(yīng)用中的關(guān)鍵。

不過，LED光源熱量的多少并不是影響LED的主要問題，熱量集中(從而形成熱點(diǎn))才是問題的關(guān)鍵。對一般標(biāo)準(zhǔn)的LED器件而言，1W LED器件的熱通量大約為100W/cm2，3W LED器件的熱通量則高達(dá)300W/cm2，而一般的CUP的熱通量才為60~130W/cm2。熱量集中在尺寸很小的晶片內(nèi)，晶片溫度升高，引起熱應(yīng)力的分布不均勻、晶片發(fā)光效率和螢光粉發(fā)射效率下降。當(dāng)溫度超過一定值時(shí)，器件失效率呈指數(shù)規(guī)律增加。當(dāng)多個(gè)LED密集排列組成白光照明系統(tǒng)時(shí)，散熱問題就更嚴(yán)重了。

LED器件的散熱途徑主要是熱傳導(dǎo)和熱對流。傳統(tǒng)上，LED燈具的散熱結(jié)構(gòu)包括基底、散熱片以及散熱器?；讓⒕Я５臒崮軅鲗?dǎo)出來，可以導(dǎo)熱但不導(dǎo)電。散熱片將熱擴(kuò)散開來，以免熱堆積于LED 光源處，并且可以提升散熱器的效率。散熱器則可以熱有效地發(fā)散于空氣中。不過，基底材料極低的熱導(dǎo)率容易導(dǎo)致器件熱阻增加，產(chǎn)生嚴(yán)重的自加熱效應(yīng)，對器件的性能和可靠性帶來毀滅性的影響。

Microloops(邁科)的均熱板(Vapor Chamber)能實(shí)現(xiàn)超高熱流密度傳熱，可解決高功率LED的熱點(diǎn)問題。均熱板是一個(gè)內(nèi)壁具微結(jié)構(gòu)的真空腔體，當(dāng)熱由熱源傳導(dǎo)至蒸發(fā)區(qū)時(shí)，腔體里面的工質(zhì)會(huì)在低真空度的環(huán)境中，便會(huì)開始產(chǎn)生液相氣化的現(xiàn)象，此時(shí)介質(zhì)吸收熱能并且體積迅速膨脹，氣相的介質(zhì)會(huì)很快充滿整個(gè)腔體。當(dāng)氣相介質(zhì)接觸到一個(gè)比較冷的區(qū)域時(shí)便會(huì)產(chǎn)生凝結(jié)的現(xiàn)象，藉由凝結(jié)的現(xiàn)象釋放出在蒸發(fā)時(shí)累積的熱，凝結(jié)后的液相介質(zhì)會(huì)藉由微結(jié)構(gòu)的毛細(xì)現(xiàn)象再回到蒸發(fā)熱源處。此運(yùn)作將在腔體內(nèi)周而復(fù)始進(jìn)行，這就是均熱板的運(yùn)作方式。由于工質(zhì)在蒸發(fā)時(shí)微結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生毛細(xì)力，所以均熱板的運(yùn)作可不受重力的影響。

圖1：采用均熱板LED燈的散熱結(jié)構(gòu)去掉了基底。

圖1給出了采用均熱板的LED燈的散熱結(jié)構(gòu)，它去掉了基底，減少一大部分熱阻。 LED器件可以緊密排列并直接綁定在均熱板上，并以標(biāo)準(zhǔn)打線封裝機(jī)臺(tái)直接封裝LED器件及相關(guān)電路，構(gòu)建成一個(gè)獨(dú)立光源。

這種將LED器件直接綁定在均熱板上的方法有明顯的好處。LED器件的下方與均熱板接觸，可以通過均熱板把點(diǎn)熱源擴(kuò)散并可有效地將熱傳遞至后端，從而降低熱點(diǎn)溫度Tj，提高LED壽命。此外，這種方法還可集中擺放LED器件，讓光源集中，有利二次光學(xué)設(shè)計(jì)。而采用SMD封裝的均熱板還可以使用SMD自動(dòng)化設(shè)備進(jìn)行大批量生產(chǎn)。

圖2給出了采用均熱板的高功率LED燈(將總功率為50W的多個(gè)LED直接綁定在均熱板)與采用銅基底的同樣功率LED燈的溫度對比。

圖2：采用均熱板(VC)和采用銅基底(Cu)的高功率LED燈的溫度對比。

除了應(yīng)用在高功率LED路燈外，目前均熱板解決方案還主要用在功率半導(dǎo)體冷卻、刀片服務(wù)器、圖形顯示卡、電信基礎(chǔ)設(shè)施、功放、雷達(dá)發(fā)射模塊、衛(wèi)星和筆記本電腦上。邁科的均熱板的尺寸和形狀可定制，其最低熱阻已低至每瓦0.05度，厚度小于3mm。該公司還開發(fā)了能處理300W熱功率以上的均熱板來解決高端圖像卡的散熱問題。超薄設(shè)計(jì)可提供3.0mm厚度均熱板可為單插槽圖像卡提供150W的散熱能力。