淺析LED散熱問(wèn)題

LED的散熱現在越來(lái)越為人們所重視，這是因為LED的光衰或其壽命是直接和其結溫有關(guān)，散熱不好結溫就高，壽命就短，依照阿雷紐斯法則溫度每降低10℃壽命會(huì )延長(cháng)2倍。從Cree公司發(fā)布的光衰和結溫的關(guān)系圖（圖1）中可以看出，結溫假如能夠控制在65°C，那么其光衰至70％的壽命可以高達10萬(wàn)小時(shí)！這是人們夢(mèng)寐以求的壽命，可是真的可以實(shí)現嗎？是的，只要能夠認真地處理它的散熱問(wèn)題就有可能做到！遺憾的是，現在實(shí)際的LED燈的散熱和這個(gè)要求相去甚遠！以致LED燈具的壽命變成了一個(gè)影響其性能的主要問(wèn)題，所以必須要認真對待！

圖1：光衰和結溫的關(guān)系

而且，結溫不但影響長(cháng)時(shí)間壽命，也還直接影響短時(shí)間的發(fā)光效率，例如Cree公司的XLamp7090XR-E的發(fā)光量和結溫的關(guān)系如圖2所示。

圖2：結溫和發(fā)光量的關(guān)系

假如以結溫為25度時(shí)的發(fā)光為100%，那么結溫上升至60度時(shí)，其發(fā)光量就只有90%；結溫為100度時(shí)就下降到80%；140度就只有70%?？梢?jiàn)改善散熱，控制結溫是十分重要的事。

除此以外LED的發(fā)熱還會(huì )使得其光譜移動(dòng)；色溫升高；正向電流增大（恒壓供電時(shí)）；反向電流也增大；熱應力增高；熒光粉環(huán)氧樹(shù)脂老化加速等等種種問(wèn)題，所以說(shuō)，LED的散熱是LED燈具的設計中最為重要的一個(gè)問(wèn)題。

第一部分LED芯片的散熱

一.結溫是怎么產(chǎn)生的

LED發(fā)熱的原因是因為所加入的電能并沒(méi)有全部轉化為光能，而是一部分轉化成為熱能。LED的光效目前只有100lm/W，其電光轉換效率大約只有20~30%左右。也就是說(shuō)大約70%的電能都變成了熱能。

具體來(lái)說(shuō)，LED結溫的產(chǎn)生是由于兩個(gè)因素所引起的。

1．內部量子效率不高，也就是在電子和空穴復合時(shí)，并不能100％都產(chǎn)生光子，通常稱(chēng)為由“電流泄漏”而使PN區載流子的復合率降低。泄漏電流乘以電壓就是這部分的功率，也就是轉化為熱能，但這部分不占主要成分，因為現在內部光子效率已經(jīng)接近90％。

2．內部產(chǎn)生的光子無(wú)法全部射出到芯片外部而最后轉化為熱量，這部分是主要的，因為目前這種稱(chēng)為外部量子效率只有30％左右，大部分都轉化為熱量了。

雖然白熾燈的光效很低，只有15lm/W左右，但是它幾乎將所有的電能都轉化為光能而輻射出去，因為大部分的輻射能是紅外線(xiàn)，所以光效很低，但是卻免除了散熱的問(wèn)題。

二.LED芯片到底板的散熱

LED芯片的特點(diǎn)是在極小的體積內產(chǎn)生極高的熱量。而LED本身的熱容量很小，所以必須以最快的速度把這些熱量傳導出去，否則就會(huì )產(chǎn)生很高的結溫。為了盡可能地把熱量引出到芯片外面，人們在LED的芯片結構上進(jìn)行了很多改進(jìn)。

為了改善LED芯片本身的散熱，其最主要的改進(jìn)就是采用導熱更好的襯底材料。早期的LED只是采用Si硅作為襯底。后來(lái)就改為藍寶石作為襯底。但是藍寶石襯底的導熱性能不是太好，（在100°C時(shí)約為25W/（m-K）），為了改善襯底的散熱，Cree公司采用碳化硅硅襯底，它的導熱性能（490W/（m-K））要比藍寶石高將近20倍。而且藍寶石要使用銀膠固晶，而銀膠的導熱也很差。而碳化硅的唯一缺點(diǎn)是成本比較貴。目前只有Cree公司生產(chǎn)以碳化硅為襯底的LED。

圖3：藍寶石和碳化硅襯底的LED結構圖

采用碳化硅作為基底以后，的確可以大為改善其散熱，但是其成本過(guò)高，而且有專(zhuān)利保護。最近國內的廠(chǎng)商開(kāi)始采用硅材料作為基底。因為硅材料的基底不受專(zhuān)利的限制。而且性能還優(yōu)于藍寶石。唯一的問(wèn)題是GaN的膨脹系數和硅相差太大而容易發(fā)生龜裂，解決的方法是在中間加一層氮化鋁（AlN）作緩沖。

LED芯片封裝以后，從芯片到管腳的熱阻就是在應用時(shí)最重要的一個(gè)熱阻，一般來(lái)說(shuō),芯片的接面面積的大小是散熱的關(guān)鍵，對于不同的額定功率，要求有相應大小的接面面積。也就表現為不同的熱阻。幾種類(lèi)型的LED的熱阻如下所示：

早期的LED芯片主要靠?jì)筛饘匐姌O而引出到芯片外部，最典型的就是稱(chēng)為ф5或F5的草帽管，它的散熱完全靠?jì)筛毤毜慕饘賹Ь€(xiàn)引出去，所以散熱效果很差，熱阻很大，這也就是為什么這種草帽管的光衰很?chē)乐氐脑?。此外，封裝時(shí)采用的材料也是一個(gè)很重要的問(wèn)題。小功率LED通常采用環(huán)氧樹(shù)脂作為封裝材料，但是環(huán)氧樹(shù)脂對400-459nm的光線(xiàn)吸收率高達45%，很容易由于長(cháng)期吸收這種短波長(cháng)光線(xiàn)以后產(chǎn)生的老化而使光衰嚴重，50%光衰的壽命不到1萬(wàn)小時(shí)。因而在大功率LED中必須采用硅膠作為封裝材料。硅膠對同樣波長(cháng)光線(xiàn)的吸收率不到1%。從而可以把同樣光衰的壽命延長(cháng)到4萬(wàn)小時(shí)。

下面列出各家LED芯片公司所生產(chǎn)的各種型號LED的熱阻

由表中可見(jiàn)，Cree公司的LED的熱阻因為采用了碳化硅作基底，要比其他公司的熱阻至少低一倍。大功率LED為了改進(jìn)散熱通常在基底下面再放一塊可焊接的銅底板以便焊到散熱器上去。這些熱阻實(shí)際上都是在這個(gè)銅底板上測得的。

是不是碳化硅就是LED襯底的最佳選擇呢，不是這樣，任何事物都會(huì )有創(chuàng )新和發(fā)展的，最近臺灣的鉆石科技開(kāi)發(fā)出了鉆石島外延片(DiamondIslandsWafer，DIW)做為生產(chǎn)超級LED的基材。這種LED的熱阻可以低至5°C/W。用它制成的超級LED可發(fā)出極強的紫外光，其強度不因高溫而降低，反而會(huì )更亮。其結構圖如圖4所示。

圖4：采用類(lèi)鉆碳(DiamondLikeCarbon，DLC)的鍍膜可以大大改善LED的散熱

圖5：用DLC鍍膜和鋁結合可以比其它結構的LED有更好的散熱特性

而且采用紫外線(xiàn)來(lái)激發(fā)各種熒光粉也可以得到所需要的各種顏色的LED。而且熒光粉不是采用和環(huán)氧樹(shù)脂或硅膠混合的方法而是直接涂于芯片表面還可以避免由于環(huán)氧樹(shù)脂和硅膠的老化而產(chǎn)生的光衰。

這將會(huì )使整個(gè)LED產(chǎn)生*性變化。而且擺脫了日美等國的專(zhuān)利束縛。

三.集成LED的散熱

現在有不少廠(chǎng)商把很多LED晶粒集成在一起以得到大功率的LED。這種LED的功率可以達到5W以上，大多以10W，25W，和50W的功率等級出現。為了把多個(gè)LED晶粒（以共晶（Eutectic）或覆晶（Flip-Chip）封裝）連接在一起，因為這些晶粒極為精細，所以需要采用精確的印制電路進(jìn)行連接。為了得到更好的散熱特性，通常采用陶瓷基板。這種陶瓷基板是由氧化鋁和氮化鋁構成。各種材料的導熱系數如下表所示。

不論氮化鋁還是氧化鋁，它們都是一種絕緣的陶瓷材料，所以可以把印制電路做在上面。但是氮化鋁具有高10倍的導熱系數，所以現在更常用氮化鋁。過(guò)去采用厚膜電路，但是其表面不平，電路邊緣毛糙，而且需要800°C以上的燒結溫度?，F在大多采用薄膜電路，因為它只需要300度以下的工藝，表面平整度可以0.3um，不會(huì )有氧化物生成，附著(zhù)性好，電路精細，誤差低于+/-1%。它實(shí)際上是采用照相刻蝕的方法來(lái)制作，采用氧化鋁為基底的薄膜電路制備的具體過(guò)程如下：

圖6：薄膜電路的制備過(guò)程

采用氮化鋁的制作方法相同。

第二部分LED燈具的散熱

前面講的是LED芯片的散熱，然而任何LED都會(huì )制成燈具，所以L(fǎng)ED芯片所產(chǎn)生的熱量最后總是通過(guò)燈具的外殼散到空氣中去。如果散熱不好，因為L(cháng)ED芯片的熱容量很小，一點(diǎn)點(diǎn)熱量的積累就會(huì )使得芯片的結溫迅速提高，如果長(cháng)時(shí)期工作在高結溫的狀態(tài)，它的壽命就會(huì )很快縮短。然而這些熱量要能夠真正引導出芯片到達外部空氣，要經(jīng)過(guò)很多途徑。具體來(lái)說(shuō)，LED芯片所產(chǎn)生的熱，從它的金屬散熱塊出來(lái)，先經(jīng)過(guò)焊料到鋁基板的PCB，再通過(guò)導熱膠才到鋁散熱器。所以L(fǎng)ED燈具的散熱實(shí)際上包括導熱和散熱兩個(gè)部分?，F在先來(lái)看一下每一個(gè)環(huán)節的導熱性能。

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(shí)還要把他們和恒流源在電路上連接起來(lái)。最簡(jiǎn)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。但是對于大多數高亮度和高功率LED來(lái)說(shuō)，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：

4.1鋁基板

目前幾乎絕大多數的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35?m-280?m之間。其寬度最好盡可能布滿(mǎn)整個(gè)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(gè)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(shù)脂或環(huán)氧玻璃布粘結片。通過(guò)熱壓把銅箔絕緣體和鋁板粘結起來(lái)。有一些LED燈具，雖然散熱器是經(jīng)過(guò)精心設計，但是很快就壞，問(wèn)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(shí)間，電路薄膜就翹了起來(lái)，也就完全無(wú)法導熱，很快就燒壞LED。

對于優(yōu)質(zhì)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格：

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(shí)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(chǎng)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(cháng)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(diǎn)是結合力強，而且導熱系數高達2.1W/m.K，而且氧化層的熱膨脹系數和鋁差不多，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(guò)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(zhù)很重的散熱任務(wù)，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(cháng)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(cháng)條形的。為了得到更好的導熱性，也有時(shí)采用導熱更好的銅基板，只是其價(jià)錢(qián)要更貴。而且最后還是要連接到鋁制散熱器上去。有可能會(huì )產(chǎn)生熱膨脹系數不同而裂開(kāi)的問(wèn)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(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的方法連接到散熱器。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。因為空氣的導熱系數為0.023W/m?k。所以必須涂上導熱膠來(lái)填充空隙。一般的導熱硅膠的導熱系數大約在1-2W/m?k。

但是導熱膠必須要流動(dòng)性好，不然的話(huà)由于涂抹不均勻仍然會(huì )產(chǎn)生氣隙，可能比不用還壞。導熱膠的另一個(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(lái)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(huì )產(chǎn)生這樣的疑問(wèn)，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、涂導熱膠、擰螺釘等工序，而且還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(jiǎn)單的平面，要熱壓黏結比較困難，而且散熱器是由燈具廠(chǎng)設計制造的，而鋁基板則是由印制板廠(chǎng)制造的。解決這個(gè)問(wèn)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*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(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?？墒且话愕纳崞鞫际卿X合金制成的，是無(wú)法焊接的。如果采用銅散熱器當然可以解決這個(gè)問(wèn)題，但是無(wú)論是價(jià)錢(qián)和重量都是無(wú)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，因為它的熱量很大（功率可達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(chēng)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(méi)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的不同而脫開(kāi)。在其結合部要采用高質(zhì)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(diǎn)就是它的不需要外加動(dòng)力裝置就可以循環(huán)導熱、導熱距離長(cháng)，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(shuō)它可以任意放置。臺灣的陽(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．系統的熱阻

各部分的導熱能力也可以用系統的熱阻來(lái)說(shuō)明，一個(gè)LED燈具的結構圖見(jiàn)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(lái)，先經(jīng)過(guò)焊料到鋁基板的PCB，再通過(guò)導熱膠才到鋁散熱器。而要定量地了解LED芯片的散熱過(guò)程，最好利用熱阻的概念。熱量就好像電荷，熱量流動(dòng)起來(lái)就好像電流，流動(dòng)的過(guò)程中會(huì )遇到阻力，就好像電阻，在這里我們稱(chēng)之為熱阻。熱阻的單位為每瓦多少度（°C/W），也就是每流過(guò)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(guò)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，就可以根據需要耗散的功率Pd，計算出結溫來(lái)，知道了結溫也就可以知道其壽命了。

假定環(huán)境溫度為T(mén)a，那么結溫為：

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(guò)的熱阻要遠比這個(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，其間還要涂上導熱膠，導熱膠的厚度很難估計，而且其中還有殘存的氣隙。對于采用熱管的燈具，則還要考慮熱管和散熱鰭片之間的空隙和導熱膠的熱阻等問(wèn)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)對流和輻射的散熱機制問(wèn)題。

需要注意的是在計算LED的散熱時(shí)，經(jīng)常犯的一個(gè)錯誤是把LED的全部功率當成是其耗散功率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。這是錯誤的。因為這只是其輸入功率，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(lái)耗散的那部分，應當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(guò)這部分比較難計算。一般來(lái)說(shuō)，因為L(cháng)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(lái)說(shuō)，可以作如下的近似：發(fā)光效率為100lm/W，其耗散功率應為70%輸入功率，對于上面所說(shuō)的1W的LED，也就是1.155x0.7=0.8W變成無(wú)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芯片的結溫，也就可以知道這個(gè)燈具的壽命了呢？

情況遠遠不是那么簡(jiǎn)單，雖然我們可以仔細分析每一部分的熱阻，甚至還可以得到比較精確的數字，但是還是有很多重要的因素被我們忽略掉了。因為上面的這個(gè)模型只不過(guò)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)候如果只用標準的鋁基板的熱阻來(lái)計算整個(gè)燈具的熱阻就會(huì )有很大的出入。因為每個(gè)LED的散熱會(huì )受到周?chē)鶯ED所發(fā)出的熱影響。換句話(huà)說(shuō)，這時(shí)鋁基板的熱阻是很難計算的。

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。也相當于改變了其熱阻。

3．熱阻實(shí)際上只考慮了熱傳導，而根本沒(méi)有考慮熱對流和熱輻射。熱量從LED芯片出發(fā)，經(jīng)過(guò)了一系列不同材質(zhì)傳導，最后到達鰭片散熱器。這些熱量最后都要散發(fā)到空氣中去。如果散發(fā)不到空氣中，那么這些熱量也會(huì )越積越多，導致結溫的升高。所以可以說(shuō)，最后鰭片散熱器散到空氣中的這一環(huán)節，是最關(guān)鍵的一環(huán)，是最復雜的一環(huán)，也是最難計算的一環(huán)?；蛘哒f(shuō)Rj5基本上是無(wú)法用簡(jiǎn)單的計算就能算出來(lái)的。這就使得要通過(guò)所有部件的熱阻來(lái)計算出LED的結溫幾乎是不可能的事。

七．散熱器的設計

要談到散熱器，有一個(gè)概念先要搞清楚，就是導熱和散熱的區別。導熱就是要把熱量最快地從發(fā)熱源傳送到散熱器表面，而散熱則是要把熱量從散熱器表面散發(fā)到空氣中去。首先要把熱最快的導出來(lái)，然后要最有效地散到空氣里去。因為不管采用什么方法散熱，最后還是只能把熱量散發(fā)到空氣中。而熱量的散發(fā)只有兩種途徑：對流和輻射。

7.1對流散熱和輻射散熱

對于對流散熱來(lái)說(shuō)，其基本公式如下：

Q=h?A?△T

其中Q為散去的熱量，h為熱對流系數，A為散熱器的散熱面積，△T為散熱器表面和附近空氣之間的溫度差。

更形象一點(diǎn)，可以用圖10來(lái)表示：

圖10：基于對流的散熱量的計算

鰭片的散熱主要是靠對流和輻射，這其中對流是最重要的。這兩部分都取決于鰭片的總面積。面積越大，散熱效果越好。然而，對流散熱則不完全取決于鰭片面積的大小，而且還和風(fēng)力風(fēng)向有關(guān)，在完全無(wú)風(fēng)的狀態(tài)下，則和自然對流的阻力有關(guān)。例如假如為了防塵和防鳥(niǎo)屎堆積，鰭片朝下安裝，那么鰭片兩端不能堵住，而且燈具要么向下傾斜要么向上傾斜，可以讓熱空氣能夠順暢地流動(dòng)。

熱輻射的散熱公式為“Q=E×S×F×Δ(Ta－Tb)”。公式中Q代表熱輻射所交換的能力，E是物體表面的熱輻射系數。在實(shí)際中，當物質(zhì)為金屬且表面光潔的情況下，熱輻射系數比較小，而把金屬表面進(jìn)行處理后（比如發(fā)黑）其表面熱輻射系數值就會(huì )提升。塑料或非金屬類(lèi)的熱輻射系數值大部分都比較高。S是物體的表面積，F則是輻射熱交換的角度和表面的函數關(guān)系，但這里這個(gè)函數比較難以解釋。Δ(Ta－Tb)則是表面a的溫度同表面b之間的溫度差。因此熱輻射量和熱輻射系數、物體表面積的大小以及溫度差之間都存在正比關(guān)系。絕對黑體的輻射系數為1。熱輻射散熱也可以用另一個(gè)公式來(lái)表示：

由表中可見(jiàn)，氧化處理是改進(jìn)材料的輻射散熱的重要途徑。采用鑄鐵的暖氣片有相當一部分的散熱靠的是輻射散熱。而且塑料的熱輻射性能和氧化后的金屬差不多。

為了改進(jìn)輻射散熱，鋁合金鰭片散熱器要進(jìn)行發(fā)黑處理，但是有人是采用噴黑色塑膠漆的方法，這種方法雖然也使其表面變黑，但是實(shí)際上又加上了一層絕緣層，妨礙了它的散熱。最好的方法是采用陽(yáng)極氧化發(fā)黑處理，這個(gè)氧化層可以做得很薄，不至于影響其散熱，但對輻射散熱有很大的改進(jìn)。

總之，不管是對流還是輻射都是和散熱器的散熱面積成正比，所以要改善散熱一定要加大散熱器的面積。

八．鰭片散熱器

散熱器采用鰭片的形狀是為了加大散熱面積。以利于輻射散熱和對流散熱。散熱器的最重要指標就是它的散熱面積A，但是散熱器的不同部位的散熱效果是不同的。在根部的散熱效果就差，而在頂部的散熱效果就好。所以散熱器有一個(gè)有效散熱面積。它通常是實(shí)際面積的70%左右。從經(jīng)驗得出，一般要散1W功率的熱量大約需要50-60平方厘米的有效散熱器面積。

圖11：結溫和長(cháng)度的關(guān)系

而散熱器的材料通常是用鋁合金，和銅相比，雖然其熱傳導只有銅的一半，但是它重量輕、易加工、價(jià)格便宜，所以還是廣泛地應用于散熱器之中。

為了加大散熱面積，通常會(huì )采用增加高度的方法。但是，高度增加到一定程度以后其作用會(huì )越來(lái)越小。圖12表明增加高度對于降低結溫的影響的一個(gè)例子。

圖12：LED結溫隨散熱器的高度增加而降低

由圖中可以看出，高度增加到40mm以后，結溫的降低就很慢了。

加大長(cháng)度也是加大面積的一個(gè)方法。但是并不是長(cháng)度越長(cháng)越好。

由圖中可知，長(cháng)度增加到一定程度以后，結溫不但不再降低，反而會(huì )升高。這是因為空氣在沿長(cháng)度方向的流動(dòng)受到阻礙所致(主要對于垂直放置的鰭片為如此)。

所以對于散熱器來(lái)說(shuō)，除了加大面積以外，如何加速空氣的對流是很重要的事，尤其是像LED路燈這類(lèi)安裝在室外的路燈更為重要。由于室外的風(fēng)向是不定的，為了在各種風(fēng)向情況下都能有很好的對流，最好采用針狀鰭片散熱器。但這也減小了其等效散熱面積很大的百分比。

珠海南科首次把針狀散熱器應用至LED路燈中，據說(shuō)這可以使LED的結溫降低15度以上，提高了LED的壽命。

路燈散熱器往往由于灰塵和鳥(niǎo)糞的積累而使其散熱效果大為降低，所以通常采用朝下安裝的方法來(lái)避免，但是這樣做又會(huì )使空氣對流的效果降低，因為熱空氣是向上流動(dòng)的。通常要在安裝時(shí)有一個(gè)傾斜角來(lái)改善。

九．采用強制風(fēng)冷散熱

目前幾乎絕大多數的LED燈具都是采用自然空氣對流來(lái)散熱的。然而，對流的散熱效果是和空氣的流速是有密切關(guān)系的。在一個(gè)15W的LED燈具中，如果采用強制風(fēng)冷可以得到其LED的結溫和風(fēng)速的關(guān)系如圖13所示。

圖13：LED結溫和風(fēng)速的關(guān)系

在電腦的CPU中，從來(lái)都是采用小風(fēng)扇的強制風(fēng)冷系統來(lái)散熱的。那么在LED中能不能也采用風(fēng)扇來(lái)散熱呢！

目前最大功率的LED燈具要算是LED路燈了。LED路燈和電腦最大的差別就是它是安裝在室外的十分惡劣的環(huán)境條件下的。如果采用風(fēng)扇，那么這種風(fēng)扇也必須能夠承受十分惡劣的環(huán)境條件。例如必須能夠防水、防潮、防塵，能夠承受高低溫的考驗，等等…。而且它本身不能消耗很大的功率。

最近臺灣Sunon公司推出全球最小、最薄、耗電量最低的“毫米科技風(fēng)扇與鼓風(fēng)扇MightyMiniFanBlower。并用于各種功率的LED燈具。例如，應用于LED球泡燈，就可以突破9W的瓶頸限制而達到15W的水平。同時(shí)展示全新“One-module”概念所設計的LED散熱模塊，將LED燈具散熱模塊化，一款散熱模塊可應用于多款LED燈具，簡(jiǎn)化客戶(hù)端的設計流程，預計推出可散熱7-15W、10-25W、25-40W幾種功率水平?？蓱糜贚ED球燈、筒燈、MR16投射燈、LED軌道燈等各式LED應用產(chǎn)品的散熱。

十.結束語(yǔ)

目前LED的發(fā)光效率還是比較低，從而引起結溫升高，壽命降低。為了降低結溫以提高壽命就必須十分重視散熱的問(wèn)題。LED的散熱設計必須從芯片開(kāi)始一直到整個(gè)散熱器，每一個(gè)環(huán)節都要給于充分的注意。任何一個(gè)環(huán)節設計不當都會(huì )引起嚴重的散熱問(wèn)題。過(guò)去的LED路燈在長(cháng)期工作中的大量失效，一半以上是散熱設計欠缺所引起，另一半是電源失效所引起。所以對散熱的設計必須給以充分的重視。

隨著(zhù)LED的光效逐年提高，它的發(fā)熱問(wèn)題也會(huì )逐漸降低。相信總有一天我們會(huì )看到不需要散熱器的LED燈具的出現！