大功率 LED 封裝和散熱技術(shù)分析

2011-04-13

                                                   大功率 LED 封裝和散熱技術(shù)分析

      全球紡織采購供應(yīng)鏈色彩解決方案商——天友利，近幾年來，越來越多的頂尖零售商和服裝品牌廠家選擇天友利作為自己的優(yōu)選或共選色彩技術(shù)提供商。產(chǎn)品涉及行業(yè)：塑料、 涂料、 紡織、 汽車、 化妝品、 數(shù)碼影像、 印前 、印刷、 油墨、 色覺測(cè)試、 包裝等。
      LED 燈具產(chǎn)業(yè)是近 來被認(rèn)為有潛 的產(chǎn)業(yè)之一， 大家都期待 LED 能夠進(jìn)入照明市場(chǎng)， 成為新照明光源， 成為有希望的潛在市場(chǎng)。LED 體積小、效 高、 反應(yīng)時(shí)間快、 產(chǎn)品壽命較其它光源長、 含對(duì)環(huán)境有害的汞， 這些都是優(yōu)點(diǎn)。 近年來，大功率 LED 發(fā)展較快，在結(jié)構(gòu)和性能上都有較大的改進(jìn)，產(chǎn)量上升、價(jià)格下降；還開發(fā)出單顆功 率為 100W 的超大功率白光 LED。與前幾年相比較，在發(fā)光效率上有長足的進(jìn)步。例如，Edison 公司前幾年的 20W 白光 LED， 其光通量為 700lm， 發(fā)光效率為 35lm/W。 2007 年開發(fā)的 100W 白光 LED， 其光通量為 6000lm， 發(fā)光效率為 60lm/W。又例如，LumiLED 公司近開發(fā)的 K2 白光 LED，與其Ⅰ、Ⅲ系列同類產(chǎn)品比較如表 1 所示。從表中可以看出：K2 白光 LED 在光通量、大結(jié)溫、熱阻及外廓尺寸上都有較大的改進(jìn)。Cree 公司新 推出的 X-Lamp XR~E 冷白光 LED，其更高亮度擋 QS 在 350mA 時(shí)光通量可達(dá) 107~114lm。這些性能良好的大 功率 LED 給開發(fā) LED 白光照明燈具創(chuàng)造了條件。 前幾年，各種白光 LED 照明燈具主要是采用小功率 Φ5 白光 LED 來做的。如 1~5W 的燈泡、15~20W 的燈管 及 40~60W 的路燈、投射燈等。這些燈具使用了幾十到幾百個(gè) Φ5 白光 LED，生產(chǎn)工藝復(fù)雜、可靠性差、故障 率高、外殼尺寸大，并且亮度不足。為改進(jìn)上述缺點(diǎn)，這幾年逐步采用大功率白光 LED 來替代 Φ5 白光 LED 來設(shè)計(jì)新型燈具。例如，用 18 個(gè) 2W 的白光 LED 做成的街燈，若采用 Φ5 白光 LED 則要幾百個(gè)。另外，用一 個(gè) 1.25W 的 K2 系列白光 LED，可做成光通量為 65lm 的強(qiáng)光手電筒，照射距離可達(dá)幾十米。若采用 Φ5 白光 LED 來做則是不可能的。 LED 燈具的主要難點(diǎn)是大功率 LED 封裝技術(shù)提升，大功率 LED 封裝由于結(jié)構(gòu)和工藝復(fù)雜，并直接影響到 LED 的使用性能和壽命，一直是近年來的研究熱點(diǎn)，特別是大功率白光 LED 封裝更是研究熱點(diǎn)中的熱點(diǎn)。 但 LED 燈具的重要難點(diǎn)是散熱問題的解決，這會(huì) 低 LED 發(fā)光效 ，尤其大功率 LED 燈具急待解決的。 LED 的主要失效形式之一是熱失效，隨著溫度的升高，不但 LED 的失效率大大增加而且 LED 光衰加劇、壽 命縮短，因此散熱設(shè)計(jì)是 LED 燈具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不可忽略的一個(gè)環(huán)節(jié)。大功率 LED 燈具的外殼防護(hù)等級(jí)一般都 在 IP65 以上，熱量不能通過空氣對(duì)流的方式發(fā)散到燈具外部。所以利用良好的導(dǎo)熱途徑將 LED 的熱量傳到燈 具外殼，選擇合適的導(dǎo)熱材料等燈具散熱方面的設(shè)計(jì)直接決定了產(chǎn)品的性能。 下面對(duì)大功率 LED 燈具從兩個(gè)方面進(jìn)行分析：封裝技術(shù)與散熱技術(shù)。
一、大功率LED封裝技術(shù)及其發(fā)展：
       LED 封裝的功能主要包括：1.機(jī)械保護(hù)，以提高可靠性；2.加強(qiáng)散熱，以降低芯片結(jié)溫，提高 LED 性能；3.光學(xué)控制，提高出光效率，優(yōu)化光束分布；4.供電管理，包括交流/直流轉(zhuǎn)變，以及電源控制等。 LED 封裝方法、材料、結(jié)構(gòu)和工藝的選擇主要由芯片結(jié)構(gòu)、光電和機(jī)械特性、具體應(yīng)用和成本等因素決定。 經(jīng)過近十幾年的發(fā)展， 特別是對(duì)大功率 LED 封裝的光學(xué)、 熱學(xué)、 電學(xué)和機(jī)械結(jié)構(gòu)等提出了更新的和更高的要求。 為了有效地降低封裝熱阻，提高出光效率，必須采用全新的技術(shù)思路來進(jìn)行封裝設(shè)計(jì)。 大功率 LED 封裝主要涉及光、熱、電、結(jié)構(gòu)與工藝等方面，如圖 1 所示。這些因素彼此既相互獨(dú)立，又相互 影響。其中，LED 的封裝：光是目的，熱是關(guān)鍵，電、結(jié)構(gòu)與工藝是手段，而性能是封裝水平的具體體現(xiàn)。從 工藝兼容性及降低生產(chǎn)成本而言，LED 封裝設(shè)計(jì)應(yīng)與芯片設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，即芯片設(shè)計(jì)時(shí)就應(yīng)該考慮到封裝結(jié)構(gòu) 和工藝。否則，等芯片制造完成后，可能由于封裝的需要對(duì)芯片結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，從而延長了產(chǎn)品研發(fā)周期和工 藝成本，有時(shí)甚至不可能。
    圖 1：大功率 LED 封裝技術(shù) 具體而言，大功率 LED 封裝的關(guān)鍵技術(shù)包括： 1．低熱阻封裝工藝 對(duì)于現(xiàn)有的 LED 光效水平而言，由于輸入電能的 80％左右轉(zhuǎn)變成為熱量，且 LED 芯片面積小，因此，芯 片散熱是 LED 封裝必須解決的關(guān)鍵問題。主要包括芯片布置、封裝材料選擇基板材料、熱界面材料與工藝、熱 沉設(shè)計(jì)等。 LED 封裝熱阻主要包括材料（散熱基板和熱沉結(jié)構(gòu)）內(nèi)部熱阻和界面熱阻。散熱基板的作用就是吸收芯片 產(chǎn)生的熱量， 并傳導(dǎo)到熱沉上， 實(shí)現(xiàn)與外界的熱交換。 常用的散熱基板材料包括硅、 （如鋁， 、 （如， 金屬 銅） 陶瓷 AlN，SiC）和復(fù)合材料等。如 Nichia 公司的第三代 LED 采用 CuW 做襯底，將 1mm 芯片倒裝在 CuW 襯底上， 降低了封裝熱阻，提高了發(fā)光功率和效率；Lamina Ceramics 公司則研制了低溫共燒陶瓷金屬基板，如圖 2（a） ， 并開發(fā)了相應(yīng)的 LED 封裝技術(shù)。該技術(shù)首先制備出適于共晶焊的大功率 LED 芯片和相應(yīng)的陶瓷基板，然后將 LED 芯片與基板直接焊接在一起。由于該基板上集成了共晶焊層、靜電保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路及控制補(bǔ)償電路， 不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且由于材料熱導(dǎo)率高，熱界面少，大大提高了散熱性能，為大功率 LED 陣列封裝提出了解決 方案。德國 Curmilk 公司研制的高導(dǎo)熱性覆銅陶瓷板，由陶瓷基板（AlN 或）和導(dǎo)電層（Cu）在高溫高壓下燒 結(jié)而成，沒有使用黏結(jié)劑，因此導(dǎo)熱性能好、強(qiáng)度高、絕緣性強(qiáng)，如圖 2（b）所示。其中氮化鋁（AlN）的熱 導(dǎo)率為 160W/mk，熱膨脹系數(shù)為（與硅的熱膨脹系數(shù)相當(dāng)） ，從而降低了封裝熱應(yīng)力。
    圖 2：封裝熱應(yīng)力 研究表明，封裝界面對(duì)熱阻影響也很大，如果不能正確處理界面，就難以獲得良好的散熱效果。例如，室溫下 接觸良好的界面在高溫下可能存在界面間隙， 基板的翹曲也可能會(huì)影響鍵合和局部的散熱。 改善 LED 封裝的關(guān) 鍵在于減少界面和界面接觸熱阻，增強(qiáng)散熱。因此，芯片和散熱基板間的熱界面材料（TIM）選擇十分重要。 LED 封裝常用的 TIM 為導(dǎo)電膠和導(dǎo)熱膠，由于熱導(dǎo)率較低，一般為 0.5-2.5W/mK，致使界面熱阻很高。而采用 低溫或共晶焊料、焊膏或者內(nèi)摻納米顆粒的導(dǎo)電膠作為熱界面材料，可大大降低界面熱阻。 2．高聚光率封裝結(jié)構(gòu)與工藝 在 LED 使用過程中，輻射復(fù)合產(chǎn)生的光子在向外發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的損失，主要包括三個(gè)方面：芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺 陷以及材料的吸收；光子在出射界面由于折射率差引起的反射損失；以及由于入射角大于全反射臨界角而引起 的全反射損失。因此，很多光線無法從芯片中出射到外部。通過在芯片表面涂覆一層折射率相對(duì)較高的透明膠 層(灌封膠)，由于該膠層處于芯片和空氣之間，從而有效減少了光子在界面的損失，提高了取光效率。此外， 灌封膠的作用還包括對(duì)芯片進(jìn)行機(jī)械保護(hù)，應(yīng)力釋放，并作為一種光導(dǎo)結(jié)構(gòu)。因此，要求其透光率高，折射率 高，熱穩(wěn)定性好，流動(dòng)性好，易于噴涂。為提高 LED 封裝的可靠性，還要求灌封膠具有低吸濕性、低應(yīng)力、耐 老化等特性。目前常用的灌封膠包括環(huán)氧樹脂和硅膠。硅膠由于具有透光率高，折射率大，熱穩(wěn)定性好，應(yīng)力 小，吸濕性低等特點(diǎn)，明顯優(yōu)于環(huán)氧樹脂，在大功率 LED 封裝中得到廣泛應(yīng)用，但成本較高。研究表明，提高 硅膠折射率可有效減少折射率物理屏障帶來的光子損失，提高外量子效率，但硅膠性能受環(huán)境溫度影響較大。 隨著溫度升高，硅膠內(nèi)部的熱應(yīng)力加大，導(dǎo)致硅膠的折射率降低，從而影響 LED 光效和光強(qiáng)分布。 熒光粉的作用在于光色復(fù)合，形成白光。其特性主要包括粒度、形狀、發(fā)光效率、轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性（熱 和化學(xué)）等，其中，發(fā)光效率和轉(zhuǎn)換效率是關(guān)鍵。研究表明，隨著溫度上升，熒光粉量子效率降低，出光減少， 輻射波長也會(huì)發(fā)生變化，從而引起白光 LED 色溫、色度的變化，較高的溫度還會(huì)加速熒光粉的老化。原因在于 熒光粉涂層是由環(huán)氧或硅膠與熒光粉調(diào)配而成，散熱性能較差，當(dāng)受到紫光或紫外光的輻射時(shí)，易發(fā)生溫度猝 滅和老化， 使發(fā)光效率降低。 此外， 高溫下灌封膠和熒光粉的熱穩(wěn)定性也存在問題。 由于常用熒光粉尺寸在 1um 以上，折射率大于或等于 1.85，而硅膠折射率一般在 1.5 左右。由于兩者間折射率的不匹配，以及熒光粉顆粒 尺寸遠(yuǎn)大于光散射極限（30nm） ，因而在熒光粉顆粒表面存在光散射，降低了出光效率。通過在硅膠中摻入納 米熒光粉，可使折射率提高到 1.8 以上，降低光散射，提高 LED 出光效率（10％-20％） ，并能有效改善光色質(zhì) 量。 傳統(tǒng)的熒光粉涂敷方式是將熒光粉與灌封膠混合，然后點(diǎn)涂在芯片上。由于無法對(duì)熒光粉的涂敷厚度和形 狀進(jìn)行精確控制，導(dǎo)致出射光色彩不一致，出現(xiàn)偏藍(lán)光或者偏黃光。而 LumiLEDs 公司開發(fā)的保形涂層 （Conformal coating）技術(shù)可實(shí)現(xiàn)熒光粉的均勻涂覆，保障了光色的均勻性，如圖 3（b） 。但研究表明，當(dāng)熒光 粉直接涂覆在芯片表面時(shí)，由于光散射的存在，出光效率較低。有鑒于此，美國 RenssELaer 研究所提出了一 種光子散射萃取工藝（Scattered Photon Extraction method，SPE)，通過在芯片表面布置一個(gè)聚焦透鏡，并將含 熒光粉的玻璃片置于距芯片一定位置，不僅提高了器件可靠性，而且大大提高了光效（60％） ，如圖 3(c)。
    圖 3：大功率 LED 封裝結(jié)構(gòu) 總體而言，為提高 LED 的出光效率和可靠性，封裝膠層有逐漸被高折射率透明玻璃或微晶玻璃等取代的趨 勢(shì)， 通過將熒光粉內(nèi)摻或外涂于玻璃表面， 不僅提高了熒光粉的均勻度， 而且提高了封裝效率。 此外， 減少 LED 出光方向的光學(xué)界面數(shù)，也是提高出光效率的有效措施。 3．陣列封裝與系統(tǒng)集成技術(shù) 經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，LED 封裝技術(shù)和結(jié)構(gòu)先后經(jīng)歷了四個(gè)階段，如圖 4 所示。
    圖 4：LED 封裝技術(shù)和結(jié)構(gòu)發(fā)展
二、大功率LED散熱技術(shù)分析
    如果大功率LED在正常發(fā)光狀態(tài)其熱能無法導(dǎo)出，將影響 LED 發(fā)光效 。70%的 LED 會(huì)因?yàn)檫^高的接面溫 而產(chǎn)生故障：LED 的產(chǎn)品生命周期、 、產(chǎn)品穩(wěn)定性等都會(huì)隨接面溫 提高而衰竭。當(dāng) LED 熱源無法有效導(dǎo) 出，將導(dǎo)致 LED 接面溫 (Junction Temperature)升高，隨之影響到的將是光的輸出效 衰減。如圖 5 所示， 接面溫 與發(fā)光效 之關(guān)系隨著 LED 晶 的提升， 單顆 LED 的功耗瓦數(shù)亦從 0.1W 提高至 1W、 及 5W 以 3W 上，那么 LED 封裝模塊的熱阻抗(Thermal Resistance)由 250 至 350K/W 大幅 低至現(xiàn)在的小于 5K/W 以下。 由于這樣的技術(shù)發(fā)展，使得 LED 面臨到日益嚴(yán)荷的熱管 挑戰(zhàn)，LED 的熱較 IC 低，溫 升高時(shí) 僅會(huì)造成
    下降，且溫 超過 100°C 時(shí)將加速組件的 化，那么 LED 組件本身的散熱技術(shù)就必需進(jìn)一步改善以滿足高 功 LED 的散熱需求。
    圖 5：接面溫度與發(fā)光效率的關(guān)系 圖 6 所示，LED 溫 與壽命關(guān)系圖。對(duì)接面溫 說、溫 影響到了不只是效 或壽命等關(guān)系、接面溫 越 高而無法排除、后結(jié)果卻是影響到 LED 其壽命、溫 越高其壽命衰減越快、所以在圖 6 中顯示出溫 控 制的重要性。
    圖 6：LED 溫 與壽命關(guān)系圖。 1．LED 結(jié)溫的定義及其分析： LED 的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)半導(dǎo)體的 PN 結(jié)，它是個(gè)光電器件，其工作過程中只有 15%～25%的電能轉(zhuǎn)換成光能， 其余的電能幾乎都轉(zhuǎn)換成熱能， LED 的溫度升高。 使 實(shí)驗(yàn)指出： 當(dāng)電流流過 LED 元件時(shí)， 結(jié)的溫度將上升， PN 嚴(yán)格意義上說，就把 PN 結(jié)區(qū)的溫度定義為 LED 的結(jié)溫。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我們也可 把 LED 芯片的溫度視之為結(jié)溫。（通常用 Tj 表示）。產(chǎn)生 LED 結(jié)溫的原因有哪些？ ◆在 LED 工作時(shí)，可存在以下四種情況促使結(jié)溫不同程度的上升： A、元件不良的電極結(jié)構(gòu)，視窗層襯底或結(jié)區(qū)的材料以及導(dǎo)電銀膠等均存在一定的電阻值，這些電阻相互壘加， 構(gòu)成 LED 元件的串聯(lián)電阻。當(dāng)電流流過 PN 結(jié)時(shí)，同時(shí)也會(huì)流過這些電阻，從而產(chǎn)生焦耳熱，引致芯片溫度或 結(jié)溫的升高。 B、由于 PN 結(jié)不可能極端完美，元件的注入效率不會(huì)達(dá)到 100％，也即是說，在 LED 工作時(shí)除 P 區(qū)向 N 區(qū)注 入電荷(空穴)外，N 區(qū)也會(huì)向 P 區(qū)注人電荷(電子)，一般情況下，后一類的電荷注人不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)，而以發(fā)
    熱的形式消耗掉了。即使有用的那部分注入電荷，也不會(huì)全部變成光，有一部分與結(jié)區(qū)的雜質(zhì)或缺陷相結(jié)合， 也會(huì)變成熱。 C、 實(shí)踐證明， 出光效率的限制是導(dǎo)致 LED 結(jié)溫升高的主要原因。 目前， 先進(jìn)的材料與元件制造工藝已能使 LED 極大多數(shù)輸入電能轉(zhuǎn)換成光輻射能，然而由于 LED 芯片材料與周圍介質(zhì)相比，具有大得多的折射系數(shù)，致使芯 片內(nèi)部產(chǎn)生的極大部分光子(>90％)無法順利地溢出介面，而在芯片與介質(zhì)介面產(chǎn)生全反射，返回芯片內(nèi)部并通 過多次內(nèi)部反射被芯片材料或襯底吸收，并以晶格振動(dòng)的形式變成熱，促使結(jié)溫升高。 D、LED 元件的熱散失能力是決定結(jié)溫高低的又一個(gè)關(guān)鍵條件。散熱能力強(qiáng)時(shí)，結(jié)溫下降，反之，散熱能力差 時(shí)結(jié)溫將上升。由于環(huán)氧樹脂膠是低熱導(dǎo)材料，因此 PN 結(jié)處產(chǎn)生的熱量很難通過透明環(huán)氧樹脂膠向上散發(fā)到 環(huán)境中去，大部分熱量通過襯底、銀漿、管殼、環(huán)氧樹脂膠粘接層，PCB 與熱沉向下發(fā)散。顯然，相關(guān)材料的 導(dǎo)熱能力將直接影響元件的熱散失效率。 一個(gè)普通型的 LED， PN 結(jié)區(qū)到環(huán)境溫度的總熱阻在 300 到 600℃/W 從 之間，對(duì)于一個(gè)具有良好結(jié)構(gòu)的功率型 LED 元件，其總熱阻約為 15 到 30℃/W。巨大的熱阻差異表明普通型 LED 元件只能在很小的輸入功率條件下，才能正常地工作，而功率型元件的耗散功率可大到瓦級(jí)甚至更高。 2．降低 LED 結(jié)溫的途徑有哪些？ 從五個(gè)方面去考慮：A、減少 LED 本身的熱阻；B、良好的二次散熱機(jī)構(gòu)；C、減少 LED 與二次散熱機(jī)構(gòu)安 裝介面之間的熱阻；D、控制額定輸入功率；E、降低使用環(huán)境溫度。 LED 的輸入功率是元件熱效應(yīng)的來源，能量的一部分變成了輻射光能，其余部分均變成了熱，從而提 升了元件的溫度。 顯然， 減小 LED 溫升效應(yīng)的主要方法， 一是設(shè)法提高元件的電光轉(zhuǎn)換效率 （又稱外量子效率） ， 使盡可能多的輸入功率轉(zhuǎn)變成光能，另一個(gè)重要的途徑是設(shè)法提高元件的熱散失能力，使結(jié)溫產(chǎn)生的熱，通過 各種途徑散發(fā)到周圍環(huán)境中去。 3．降低 LED 結(jié)溫和大功率 LED 的散熱處理： 在大功率 LED 中，散熱是個(gè)大問題。例如，1 個(gè) 10W 白光 LED 若其光電轉(zhuǎn)換效率為 20%，則有 8W 的電 能轉(zhuǎn)換成熱能，若不加散熱措施，則大功率 LED 的器芯溫度會(huì)急速上升，當(dāng)其結(jié)溫（TJ）上升超過大允許溫 度時(shí)（一般是 150℃），大功率 LED 會(huì)因過熱而損壞。因此在大功率 LED 燈具設(shè)計(jì)中，主要的設(shè)計(jì)工作就 是散熱設(shè)計(jì)。下表是 Edison 公司給出的大功率白光 LED 的結(jié)溫 Tj 在亮度衰減 70%時(shí)與壽命的關(guān)系（不同 LED 生產(chǎn)廠家的壽命并不相同，僅做參考）。
    另外，一般功率器件（如電源 IC）的散熱計(jì)算中，只要結(jié)溫小于大允許結(jié)溫溫度（一般是 125℃）就可 以了。但在大功率 LED 散熱設(shè)計(jì)中，其結(jié)溫 Tj 要求比 125℃低得多。其原因是 Tj 對(duì) LED 的出光率及壽命有較 大影響：Tj 越高會(huì)使 LED 的出光率越低，壽命越短。
    圖 7：Lumiled 公司 K2 系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 7 是 K2 系列白光 LED 的結(jié)溫 TJ 與相對(duì)出光率的關(guān)系曲線。在 Tj=25℃時(shí)，相對(duì)出光率為 1；Tj=70℃ 時(shí)相對(duì)出光率降為 0.9；Tj=115℃時(shí)，則降到 0.8 了。
    圖 8 ：NICHIA 公司 NCCWO22 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 在上表中可看出：Tj=50℃時(shí)，壽命為 90000 小時(shí)；Tj=80℃時(shí)，壽命降到 34000 小時(shí)；Tj=115℃時(shí)，其壽 命只有 13300 小時(shí)了。Tj 在散熱設(shè)計(jì)中要提出大允許結(jié)溫值 Tj〔max〕，實(shí)際的結(jié)溫值 Tj 應(yīng)小于或等于要求 的 Tj〔max〕,即 Tj ≤Tj〔max〕。
    圖 9： LED 與 PCB 焊接圖 的散熱路徑： 大功率 LED 的散熱路徑： 大功率 LED 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上是十分重視散熱的。圖 7 是 Lumiled 公司 K2 系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、圖 9 是 NICHIA 公司 NCCW022 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。從這兩圖可以看出：在管芯下面有一個(gè)尺寸較大的金屬散熱墊，它能使管芯的熱 量通過散熱墊傳到外面去。
    圖 10： 雙層敷銅層散熱結(jié)構(gòu) 大功率 LED 是焊在印制板（PCB）上的，如圖 9 所示。散熱墊的底面與 PCB 的敷銅面焊在一起，以較大 的敷銅層作散熱面。為提高散熱效率，采用雙層敷銅層的 PCB，其正反面圖形如圖 10 所示。這是一種簡(jiǎn)單 的散熱結(jié)構(gòu)。
    圖 11：散熱路徑圖 熱是從溫度高處向溫度低處散熱。 大功率 LED 主要的散熱路徑是： 管芯→散熱墊→印制板敷銅層→印制板 →環(huán)境空氣。若 LED 的結(jié)溫為 Tj，環(huán)境空氣的溫度為 Ta，散熱墊底部的溫度為 Tc（Tj＞Tc＞Ta），散熱路徑 如圖 11 所示。 在熱的傳導(dǎo)過程中，各種材料的導(dǎo)熱性能不同，即有不同的熱阻。若 LED 芯片傳導(dǎo)到散熱墊底面的熱阻為 RJC（LED 的熱阻）、散熱墊傳導(dǎo)到 PCB 面層敷銅層的熱阻為 RCB、PCB 傳導(dǎo)到環(huán)境空氣的熱阻為 RBA，則從 LED 芯片的結(jié)溫 Tj 傳導(dǎo)到空氣 Ta 的總熱阻 RJA 與各熱阻關(guān)系為： RJA=RJC+RCB+RBA 各熱阻的單位是℃/W。 可以這樣理解：熱阻越小，其導(dǎo)熱性能越好，即散熱性能越好。 如果 LED 的散熱墊與 PCB 的敷銅層采用回流焊焊在一起，則 RCB=0，則上式可寫成： RJA=RJC+RBA 散熱的計(jì)算公式: 散熱的計(jì)算公式 若結(jié)溫為 Tj、環(huán)境溫度為 Ta、LED 的功耗為 PD，則 RJA 與 Tj、Ta 及 PD 的關(guān)系為： RJA=（Tj－Ta）/PD 〔1〕 式中 PD 的單位是 W。PD 與 LED 的正向壓降 VF 及 LED 的正向電流 IF 的關(guān)系為： PD=VF×IF 〔2〕 如果已測(cè)出 LED 散熱墊的溫度 Tc，則〔1〕式可寫成： RJA=(Tj－Tc)/PD+(Tc－Ta)/PD 〔3〕 則 RJC=(Tj－Tc)/PD RBA=(Tc－Ta)/PD 〔4〕 在散熱計(jì)算中，當(dāng)選擇了大功率 LED 后，從數(shù)據(jù)資料中可找到其 RJC 值；當(dāng)確定 LED 的正向電流 IF 后， 根據(jù) LED 的 VF 可計(jì)算出 PD；若已測(cè)出 Tc 的溫度，則按〔3〕式可求出 Tj 來。
    在測(cè) Tc 前，先要做一個(gè)實(shí)驗(yàn)板（選擇某種 PCB、確定一定的面積）、焊上 LED、輸入 IF 電流，等穩(wěn)定后， 用 K 型熱電偶點(diǎn)溫度計(jì)測(cè) LED 的散熱墊溫度 Tc。 在〔4〕式中，Tc 及 Ta 可以測(cè)出，PD 可以求出，則 RBA 值可以計(jì)算出來。 若計(jì)算出 Tj 來，代入〔1〕式可求出 RJA。 這種通過試驗(yàn)、 計(jì)算出 Tj 方法是基于用某種 PCB 及一定散熱面積。 如果計(jì)算出來的 Tj 小于要求 （或等于） Tj〔max〕，則可認(rèn)為選擇的 PCB 及面積合適；若計(jì)算來的 Tj 大于要求的 Tj〔max〕，則要更換散熱性能更好 的 PCB，或者增加 PCB 的散熱面積。 另外，若選擇的 LED 的 RJC 值太大，在設(shè)計(jì)上也可以更換性能上更好并且 RJC 值更小的大功率 LED，使?jié)M 足計(jì)算出來的 Tj ≤Tj〔max〕。這一點(diǎn)在計(jì)算舉例中說明。 各種不同的 PCB 目前應(yīng)用與大功率 LED 作散熱的 PCB 有三種：普通雙面敷銅板（FR4）、鋁合金基敷銅板（MCPCB）、 柔性薄膜 PCB 用膠粘在鋁合金板上的 PCB。 MCPCB 的結(jié)構(gòu)如圖 12 所示。
    圖 12： MCPCB 結(jié)構(gòu)圖 其散熱效果與銅層及金屬層厚如度尺寸及絕緣介質(zhì)的導(dǎo)熱性有關(guān)。一般采用 35μm 銅層及 1.5mm 鋁合金的 MCPCB。 柔性 PCB 粘在鋁合金板上的結(jié)構(gòu)如圖 13 所示。一般采用的各層厚度尺寸如下表所示。1～3W 星狀 LED 采用此結(jié)構(gòu)。 采用高導(dǎo)熱性介質(zhì)的 MCPCB 有更好的散熱性能，但價(jià)格較貴。
    圖 13： 散熱層結(jié)構(gòu)圖 計(jì)算舉例: 計(jì)算舉例
    這里采用了 NICHIA 公司的測(cè)量 TC 的實(shí)例中取部分?jǐn)?shù)據(jù)作為計(jì)算舉例。已知條件如下： LED：3W 白光 LED、型號(hào) MCCW022、RJC=16℃/W。K 型熱電偶點(diǎn)溫度計(jì)測(cè)量頭焊在散熱墊上。 PCB 試驗(yàn)板：雙層敷銅板（40×40mm）、t=1.6mm、焊接面銅層面積 1180mm2 背面銅層面積 1600mm2。 LED 工作狀態(tài)：IF=500mA、VF= 3.97V。 按圖 14 用 K 型熱電偶點(diǎn)溫度計(jì)測(cè) Tc，Tc=71℃。測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度 Ta= 25℃. ①.Tj 計(jì)算 Tj=RJC × PD + Tc = RJC（IF×VF）+Tc = 16℃/W（500mA×3.97V）+71℃=103℃
    圖 14：Tc 測(cè)量位置圖 ②.RBA 計(jì)算：RBA=（Tc－Ta）/PD =（71℃－25℃）/1.99W = 23.1℃/W 計(jì)算 ③.RJA 計(jì)算 計(jì)算：RJA=RJC+RBA=16℃/W+23.1℃/W=39.1℃/W 如果設(shè)計(jì)的 Tj〔max〕=90℃，則按上述條件計(jì)算出來的 Tj 不能滿足設(shè)計(jì)要求，需要改換散熱更好的 PCB 或增大散熱面積，并再一次試驗(yàn)及計(jì)算，直到滿足 Tj ≤Tj〔max〕為止。 若更換新型同類產(chǎn)品 RJC=9℃/W (IF=500mA 時(shí) VF=3.65V)， 另外一種方法是， 在采用的 LED 的 RJC 值太大時(shí)， 其他條件不變，Tj 計(jì)算為：Tj=9℃/W（500mA×3.65V）+71℃=87.4℃ 上式計(jì)算中 71℃有一些誤差，應(yīng)焊上新的 9℃/W 的 LED 重新測(cè) TC（測(cè)出的值比 71℃略小）。這對(duì)計(jì)算 影響不大。采用了 9℃/W 的 LED 后不用改變 PCB 材質(zhì)及面積，其 Tj 符合設(shè)計(jì)的要求。 PCB 背面加散熱片 若計(jì)算出來的 Tj 比設(shè)計(jì)要求的 Tj〔max〕大得多，而且在結(jié)構(gòu)上又不允許增加面積時(shí)，可考慮將 PCB 背 面粘在“U”形的鋁型材上 （或鋁板沖壓件上） 或粘在散熱片上， ， 如圖 15 所示。 這兩種方法是在多個(gè)大功率 LED 的燈具設(shè)計(jì)中常用的。例如，上述計(jì)算舉例中，在計(jì)算出 Tj=103℃的 PCB 背后粘貼一個(gè) 10℃/W 的散熱片，其 Tj 降到 80℃左右。
    圖 15：“U”形鋁型材 這里要說明的是，上述 Tc 是在室溫條件下測(cè)得的（室溫一般 15～30℃）。若 LED 燈使用的環(huán)境溫度 Ta 大于室溫時(shí)，則實(shí)際的 Tj 要比在室溫測(cè)量后計(jì)算的 Tj 要高，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮這個(gè)因素。若測(cè)試時(shí)在恒溫 箱中進(jìn)行，其溫度調(diào)到使用時(shí)更高環(huán)境溫度，為更佳。 另外，PCB 是水平安裝還是垂直安裝，其散熱條件不同，對(duì)測(cè) Tc 有一定影響，燈具的外殼材料、尺寸及 有無散熱孔對(duì)散熱也有影響。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要留有余地。 4．結(jié)束語 結(jié)束語 采用一定散熱面積的 PCB、裝上 LED 的試驗(yàn)板，在 LED 工作狀態(tài)下測(cè)出 TC 再計(jì)算的方法來作散熱設(shè)計(jì)是 一種簡(jiǎn)便、有效的方法，可以較好地設(shè)計(jì)出滿足結(jié)溫 Tj〔max〕要求的散熱結(jié)構(gòu)（PCB 材質(zhì)及面積）。 這種散熱設(shè)計(jì)方法除適用于大功率白光 LED 的照明燈具外，也適用于其他發(fā)光顏色的大功率 LED 燈具， 如警示燈、裝飾燈等。
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