一種基于LED照明燈具的散熱片設計與分析

1.引言

　　LED 照明具有三個(gè)最為主要的優(yōu)點(diǎn)：節能、環(huán)保、綠色照明。這使得LED 成為當今世界上替代傳統光源的新一代光源之一。在LED 工作過(guò)程中，由于是PN 結工作，LED芯片會(huì )有發(fā)熱現象產(chǎn)生，所以必須針對這種情況做好散熱設計。LED 照明燈具發(fā)光后產(chǎn)生的熱量主要通過(guò)LED基板和安裝在LED 上的散熱裝置傳導出去。而良好的散熱設計可以大幅度延長(cháng)LED 的使用壽命，因此散熱設計對LED 光源的性能起著(zhù)至關(guān)重要的作用。

　　解決散熱問(wèn)題的方法主要有兩種：（1）改善燈具內部LED 芯片的質(zhì)量，在同樣的工作電流下提高芯片發(fā)光的內量子效率，從而提高芯片的發(fā)光效率；（2）改進(jìn)燈具外部的散熱設計，配置合理的散熱裝置，以加快散熱過(guò)程。本文主要從第二點(diǎn)出發(fā)，對LED照明燈具的散熱進(jìn)行分析。

　　2 大功率LED的結構及導熱途徑

　　圖1 顯示出SMT LED 封裝中的基本內部結構。

　　這里是一個(gè)TOP LED，它也是一個(gè)在印刷電路板上安裝實(shí)現散熱的方法。LED 由焊接或壓焊粘合的引線(xiàn)架上安裝的芯片組成。引線(xiàn)由高導電材料銅組成。

　　從引線(xiàn)架到引線(xiàn)端通過(guò)熱傳導形成從PN 結處的主要熱流通路徑。另一部分的傳輸路徑是從芯片的表面到封裝表面。熱從引線(xiàn)端同時(shí)通過(guò)熱傳導以及經(jīng)電路板的表面對流和輻射通過(guò)熱提取實(shí)現擴散。從PCB 板到空氣的熱傳輸效率對于芯片和空氣之間的溫度差有顯著(zhù)的影響。

　　3 照明所用LED散熱基板特點(diǎn)分析

　　LED芯片有源區面積小、工作電流大，造成LED芯片的工作溫度很短時(shí)間內就會(huì )升高。LED 的PN結結溫上升導致LED輸出光功率減小，加速芯片老化，器件壽命縮短。隨結溫的上升LED 的波長(cháng)還將發(fā)生“紅移”（橙紅色和琥珀色的LED 色漂移的視覺(jué)效應更顯著(zhù)）。所以考慮到實(shí)際應用中對色漂移的不良影響，熱設計也要對最高結溫進(jìn)行限制。

　　在大功率LED 散熱通道中，散熱基板是連接內外散熱通路的關(guān)鍵環(huán)節，它至少有以下功能：（1）LED 芯片的散熱通道；（2）LED 芯片的電氣連接基板；（3）LED芯片的物理支撐。照明所用大功率LED的基板材料必須有高電絕緣性能、高穩定性、高熱導率，與芯片相近的熱膨脹系數以及平整性和較高的強度。

　　傳統散熱片材料為鋁合金或銅材料，鋁的熱傳導性可達209 W /m ·K，加工特性很好、成本低，因此應用非常廣泛。銅的熱傳導率390 W /m ·K，比鋁增加70%，但缺點(diǎn)是比鋁重三倍左右，而且很難加工。

　　然而，當應用場(chǎng)合受限于傳導特性為重點(diǎn)時(shí)，通常使用銅。除這兩種材料之外，一些增加散熱的材料如以碳為基材的化合物材料、金屬粉沫燒結材料、化合的鉆石以及石墨等都是目前受矚目的熱傳導材料。

　　AlSiC 是目前最新的材料，它是混合各種鋁合金以制成特殊的物理性質(zhì)，有控制的熱膨脹、高傳導性以及顯著(zhù)的強度特性。當然由于成本關(guān)系，這些新材料一般用在功率模塊底部和芯片直接接觸的基板。

　　4 LED照明燈具所用散熱片的設計

　　散熱片的種類(lèi)很多，由制造方式來(lái)看，氣冷的散熱片可分為壓印散熱片、擠型散熱片、鑄造散熱片、接著(zhù)散熱片、折迭散熱片、改良式的鑄造散熱片、鍛造散熱片、切削散熱片、機械加工散熱片等。

　　散熱片的大小與厚度，直接影響了有效散熱面積與排熱的能力。良好的散熱片應該大于接觸面，同時(shí)還要有盡量多的散熱面積才行。散（導）熱墊片也是一種極佳的導熱材料，它與散熱片的結合，可以改善散熱效果。

　　包絡(luò )體積是指散熱片所占的體積，如果發(fā)熱功率大，所需的散熱片體積就比較大。散熱片的設計可就包絡(luò )體積做初步的設計，然后再就散熱片的細部。發(fā)熱瓦數和包絡(luò )體積的關(guān)系如式（1）所示：

　　要使得散熱片效率增加，散熱片底部厚度有很大的影響，散熱片底部必須夠厚才能使熱順利地傳到所有的鰭片，使得所有鰭片有最好的利用效率。

　　但是若底部太厚，除了浪費材料，也會(huì )造成熱量累積，反而使導熱能力降低。良好的底部厚度設計必須由熱源部分厚而向邊緣部份變薄，如此可使散熱片由熱源部分吸收足夠的熱向周?chē)^薄的部分迅速傳遞。散熱瓦數和底部厚度的關(guān)系如式（2）所示：