LED的散熱

4.2導(dǎo)熱膠和導(dǎo)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(gè)鋁板往往還不是最終的散熱器，通常還要把這個(gè)鋁板連接到真正的散熱器上去。最簡(jiǎn)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(huì)形成空氣隙，而很小的空氣隙產(chǎn)生的熱阻會(huì)比其他熱阻大幾十倍。因?yàn)榭諝獾膶?dǎo)熱系數(shù)為0.023W/m?k。所以必須涂上導(dǎo)熱膠來填充空隙。一般的導(dǎo)熱硅膠的導(dǎo)熱系數(shù)大約在1-2W/m?k。

但是導(dǎo)熱膠必須要流動(dòng)性好，不然的話由于涂抹不均勻仍然會(huì)產(chǎn)生氣隙，可能比不用還壞。導(dǎo)熱膠的另一個(gè)缺點(diǎn)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(qiáng)黏結(jié)性而又導(dǎo)熱的雙面膠片。這種導(dǎo)熱膠片是使用丙烯系列材料制造出來帶有粘性的熱傳導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)熱硅膠片的導(dǎo)熱系數(shù)通常在2-3W/m?k之間。它的抗拉強(qiáng)度可達(dá)8kg/cm2。足以黏結(jié)鋁基板和鋁散熱器。耐壓可達(dá)4KV/mm。

4.3柔性印制板

從鋁基板的構(gòu)造人們一定會(huì)產(chǎn)生這樣的疑問，為什么印制電路要先粘到一個(gè)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(dǎo)熱膠、擰螺釘?shù)裙ば颍疫€可以省掉導(dǎo)熱膠的熱阻。主要原因是散熱器的形狀一般不是簡(jiǎn)單的平面，要熱壓黏結(jié)比較困難，而且散熱器是由燈具廠設(shè)計(jì)制造的，而鋁基板則是由印制板廠制造的。解決這個(gè)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(duì)于1W以上的大功率LED，通常它的散熱銅底板是和兩個(gè)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。可是一般的散熱器都是鋁合金制成的，是無法焊接的。如果采用銅散熱器當(dāng)然可以解決這個(gè)問題，但是無論是價(jià)錢和重量都是無法接受的。一個(gè)簡(jiǎn)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(jìn)行焊接。這種方法可以免除掉鋁基板的熱阻和導(dǎo)熱硅膠或硅片的熱阻。從而大大提高了散熱效率?？傊?，LED到散熱器之間的界面越少越好。

五.熱管導(dǎo)熱

在很多場(chǎng)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?yàn)樗臒崃亢艽螅üβ士蛇_(dá)50W-100W）又很集中（有時(shí)只有30mm），這時(shí)候就必須采用熱管散熱。

熱管也稱為相變導(dǎo)熱器，因?yàn)樵谄渲械囊后w從液相變?yōu)闅庀喽鴮?dǎo)熱。它的熱阻非常小，大約只有0.065°C/W。

圖7.熱管導(dǎo)熱原理

其內(nèi)壁采用銅粉燒結(jié)，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(yuǎn)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(jié)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(jié)合部要采用高質(zhì)量的導(dǎo)熱硅膠涂敷。

導(dǎo)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(diǎn)就是它的不需要外加動(dòng)力裝置就可以循環(huán)導(dǎo)熱、導(dǎo)熱距離長(zhǎng)，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(tái)灣的陽(yáng)杰科技公司采用了回路熱管技術(shù)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。

六．系統(tǒng)的熱阻

各部分的導(dǎo)熱能力也可以用系統(tǒng)的熱阻來說明，一個(gè)LED燈具的結(jié)構(gòu)圖見圖9。

圖9.LED燈具的散熱結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(dòng)起來就好像電流，流動(dòng)的過程中會(huì)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(huì)上升多少度。如果知道所需耗散的功率，又知道其熱阻，就可以知道它的溫升是多少。熱阻越大，熱量越流不動(dòng)，溫升就越高，熱阻越小，熱量流動(dòng)越快，溫升就越小。圖中表明熱量從LED芯片流出到空氣需要經(jīng)過很多不同的熱阻：

Rj1：從芯片到安裝底板的熱阻（也就是芯片的熱阻）

Rj2：焊料的熱阻

Rj3：鋁基板的熱阻

Rj4：導(dǎo)熱硅膠的熱阻

Rj5：從散熱器到空氣的熱阻

所以從芯片到空氣的總熱阻就應(yīng)該是：

Rja=Rj1+Rj2+Rj3+Rj4+Rj5

只要知道從芯片到空氣的全部熱阻，就可以根據(jù)需要耗散的功率Pd，計(jì)算出結(jié)溫來，知道了結(jié)溫也就可以知道其壽命了。

假定環(huán)境溫度為Ta，那么結(jié)溫為：

Tj=Pd（Rj1+Rj2+Rj3+Rj4+Rj5）+Ta

然而實(shí)際的LED燈具，從LED芯片到空氣所經(jīng)過的熱阻要遠(yuǎn)比這個(gè)多很多，例如，通常薄膜印制板是安裝在鋁基板上，鋁基板再安裝到鋁散熱器上，其間還要涂上導(dǎo)熱膠，導(dǎo)熱膠的厚度很難估計(jì)，而且其中還有殘存的氣隙。對(duì)于采用熱管的燈具，則還要考慮熱管和散熱鰭片之間的空隙和導(dǎo)熱膠的熱阻等問題。

而且最難估算的是Rj5，也就是散熱器到空氣的熱阻。這牽涉到很多有關(guān)對(duì)流和輻射的散熱機(jī)制問題。

需要注意的是在計(jì)算LED的散熱時(shí)，經(jīng)常犯的一個(gè)錯(cuò)誤是把LED的全部功率當(dāng)成是其耗散功率Pd。例如，一個(gè)1W的LED，其正向電壓是3.3V，正向電流是350mA。于是就把這二者的乘積1.155瓦作為其耗散功率。這是錯(cuò)誤的。因?yàn)檫@只是其輸入功率，而不是其耗散功率。有一部分輸入功率變成了有用的光發(fā)射出去了。需要作為熱來耗散的那部分，應(yīng)當(dāng)是輸入功率減去以有用光的形式發(fā)射出去的那部分，才是需要作為熱而耗散的那部分。不過這部分比較難計(jì)算。一般來說，因?yàn)長(zhǎng)ED的發(fā)光效率有所不同，而這個(gè)耗散功率也有所不同。一般來說，可以作如下的近似：發(fā)光效率為100lm/W，其耗散功率應(yīng)為70%輸入功率，對(duì)于上面所說的1W的LED，也就是1.155x0.7=0.8W變成無用的熱需要散發(fā)出去。

那么是不是知道了所有各部分的熱阻，我們就可以知道這個(gè)LED燈具的總熱阻，也就可以知道LED芯片的結(jié)溫，也就可以知道這個(gè)燈具的壽命了呢？

情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)不是那么簡(jiǎn)單，雖然我們可以仔細(xì)分析每一部分的熱阻，甚至還可以得到比較精確的數(shù)字，但是還是有很多重要的因素被我們忽略掉了。因?yàn)樯厦娴倪@個(gè)模型只不過是單個(gè)LED的燈具的模型，而實(shí)際的燈具要比這個(gè)模型復(fù)雜很多。

1．LED的分布。在很多情況下，LED燈具里是由很多顆LED所構(gòu)成而不是只有一個(gè)LED?？赡芩羞@些LED都焊在一塊鋁基板上。這時(shí)候如果只用標(biāo)準(zhǔn)的鋁基板的熱阻來計(jì)算整個(gè)燈具的熱阻就會(huì)有很大的出入。因?yàn)槊總€(gè)LED的散熱會(huì)受到周圍LED所發(fā)出的熱影響。換句話說，這時(shí)鋁基板的熱阻是很難計(jì)算的。

2．其他熱源的影響，例如LED的恒流電源就是重要的發(fā)熱源，假如這個(gè)發(fā)熱源靠近某些LED，那么就會(huì)明顯降低這些LED的散熱而縮短其壽命。也相當(dāng)于改變了其熱阻。

3．熱阻實(shí)際上只考慮了熱傳導(dǎo)，而根本沒有考慮熱對(duì)