LED的散热方案[2]

2011年07月11日10:26:29 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

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........ 上接 《LED的散热方案[1]》 ........（作者：茅于海）

第二部分 ：LED灯具的散热

前面讲的是LED芯片的散热，然而任何LED都会制成灯具，所以LED芯片所产生的热量较后总是通过灯具的外壳散到空气中去。如果散热不好，因为LED芯片的热容量很小，一点点热量的积累就会使得芯片的结温迅速提高，如果长时期工作在高结温的状态，它的寿命就会很快缩短。然而这些热量要能够真正引导出芯片到达外部空气，要经过很多途径。具体来说，LED芯片所产生的热，从它的金属散热块出来，先经过焊料到铝基板的PCB，再通过导热胶才到铝散热器。所以LED灯具的散热实际上包括导热和散热两个部分。现在先来看一下每一个环节的导热性能。

四、各种电路基板的导热

在把LED连接到散热器之前，首先要把它们焊接到电路中去，因为首先要把这些LED连接成几串几并，同时还要把他们和恒流源在电路上连接起来。较简单的办法是把它们直接焊接到普通印制板上去。对于一些很小功率的LED，例如LED指示灯的确是可以这样做的。但是对于大多数高亮度和高功率LED来说，普通玻璃纤维印制板的导热性能就显得太差了，而必须改成用铜基板或铝基板甚至陶瓷覆铜板。各种基板的性能如下：

4.1 铝基板

目前几乎绝大多数的LED灯具中都采用了铝基板。铝基板上电路的铜箔为了要导电和导热要有足够的厚度和宽度，其厚度在35µm-280µm之间。其宽度较好尽可能布满整个基板，以便把热传下去。而下面一层绝缘体则要求其绝缘性能很好，而且还要导热性能很好。然而这两个性能是矛盾的，通常都是导体的导热性能好，而绝缘体的导热性能差。又要导热好又要绝缘好是很难做到的。也是一种科研的课题。目前采用的是一种掺有陶瓷填充物的改性环氧树脂或环氧玻璃布粘结片。通过热压把铜箔绝缘体和铝板粘结起来。有一些LED灯具，虽然散热器是经过精心设计，但是很快就坏，问题就是出在采用了热阻很大的铝基板或是剥离强度很差的铝基板。用一段时间，电路薄膜就翘了起来，也就完全无法导热，很快就烧坏LED。

对于优质铝基板通常要求其热阻小于1°C/W。下表是某种铝基板的规格：

国外和台湾已经能够生产一种“全胶铝基板”。所谓全胶是指它的绝缘层完全不用绝缘布，而是用一种绝缘胶。采用绝缘布的铝基板的热阻实际上通常在1.7-3.2°C/W。而采用全胶的铝基板的热阻可以做到0.05°C/W，市场出售的商品也可以低至0.2-0.5°C/W。

一种性能更好的铝基板是采用直接在铝板上生成陶瓷印制电路。先在铝的表面用微弧氧化生长一层100μm厚的氧化铝薄膜，再用溅射或丝网印刷制作电路层。采用这种方法的较大优点是结合力强，而且导热系数高达2.1W/m.K，而且氧化层的热膨胀系数和铝差不多，所以它的剥离强度高达5N/mm以上。只是因为这种陶瓷铝基板的加工制造过程复杂，成本高，所以还很少采用。

虽然铝基板只是一种特殊的印制板，但是它却承担着很重的散热任务，不仅绝缘层的导热要好，粘结要牢，而且它的外形还必须和散热器的外形配合，例如，在路灯里，通常是长方形的外形，在射灯中，通常是圆形的，而在日光灯中，通常是长条形的。为了得到更好的导热性，也有时采用导热更好的铜基板，只是其价钱要更贵。而且较后还是要连接到铝制散热器上去。有可能会产生热膨胀系数不同而裂开的问题。

4.2导热胶和导热双面胶带

铝基板虽然已经解决了从LED连接到以铝板为基板的电路上，可以把热传递到铝板上，但是遗憾的是，这个铝板往往还不是较终的散热器，通常还要把这个铝板连接到真正的散热器上去。较简单的方法就是用铆钉或螺钉的方法连接到散热器。但是这种方法往往会形成空气隙，而很小的空气隙产生的热阻会比其他热阻大几十倍。因为空气的导热系数为0.023W/m·k。所以必须涂上导热胶来填充空隙。一般的导热硅胶的导热系数大约在1-2W/m·k。

但是导热胶必须要流动性好，不然的话由于涂抹不均匀仍然会产生气隙，可能比不用还坏。导热胶的另一个缺点是本身的粘性不足以把铝基板固定在铝散热器上。

所以另一种方法是采用有很强黏结性而又导热的双面胶片。这种导热胶片是使用丙烯系列材料制造出来带有粘性的热传导片，它是属于有粘性和低热抵抗的散热材料。而且具备热传导性和柔软性，可以紧贴零件上的凹凸部位，从而防止了气隙的存在。导热硅胶片的导热系数通常在2-3W/m·k之间。它的抗拉强度可达8kg/cm²。足以黏结铝基板和铝散热器。耐压可达4KV/mm。

4.3柔性印制板

从铝基板的构造人们一定会产生这样的疑问，为什么印制电路要先粘到一个薄铝板上而不是直接粘到散热器上？这样还可以省去钻孔、涂导热胶、拧螺钉等工序，而且还可以省掉导热胶的热阻。主要原因是散热器的形状一般不是简单的平面，要热压黏结比较困难，而且散热器是由灯具厂设计制造的，而铝基板则是由印制板厂制造的。解决这个问题的方法是采用柔性印制板再贴到铝散热器上去。

4.4 LED直接焊到铝散热器上去

这是一种更为革命的彻底解决方法。对于1W以上的大功率LED，通常它的散热铜底板是和两个电极是绝缘的。为了使它能够更直接散热，较好把它的散热底板直接和散热器焊接在一起。可是一般的散热器都是铝合金制成的，是无法焊接的。如果采用铜散热器当然可以解决这个问题，但是无论是价钱和重量都是无法接受的。一个简单的解决方法是在铝散热器上喷镀铜。然后再在柔性印制板上打洞，使得LED的铜底板直接暴露在散热器面上，然后采用低温焊锡进行焊接。这种方法可以免除掉铝基板的热阻和导热硅胶或硅片的热阻。从而大大提高了散热效率。总之，LED到散热器之间的界面越少越好。

五、热管导热

在很多场合需要把LED所产生的热量以较快的速度传送到散热器，这在采用集成式的单片大功率LED中尤其重要，因为它的热量很大（功率可达50W-100W）又很集中（有时只有30mm），这时候就必须采用热管散热。

热管也称为相变导热器，因为在其中的液体从液相变为气相而导热。它的热阻非常小，大约只有0.065°C/W。

图7. 热管导热原理。

其内壁采用铜粉烧结，以利于变回液相的载热体吸附其上而回流。然而，热管只能把热传送到远端，而并没有把热量散发到空气中去。所以即使采用热管，还是需要有普通的铝散热器把热量散发出去。再次要提醒注意的是，采用铜热管以后，要特别注意它和前端的铝基板以及后端的铝散热器的结合部一定要互相紧密地接触并防止由于热膨胀系数的不同而脱开。在其结合部要采用高质量的导热硅胶涂敷。

图8. 导热效果更好的是回路热管。

回路热管的较大优点就是它的不需要外加动力装置就可以循环导热、导热距离长，传送功率大（几百瓦），形状多样性和不受重力要求的限制，也就是说它可以任意放置。台湾的阳杰科技公司采用了回路热管技术以后，150W的LED路灯重量只有8.5公斤，100W的LED路灯，重量只有5.5公斤。

六．系统的热阻

各部分的导热能力也可以用系统的热阻来说明，一个LED灯具的结构图见图9。

图9. LED灯具的散热结构图。

从图中可以看出，LED芯片所产生的热，从它的金属散热块出来，先经过焊料到铝基板的PCB，再通过导热胶才到铝散热器。而要定量地了解LED芯片的散热过程，较好利用热阻的概念。热量就好像电荷，热量流动起来就好像电流，流动的过程中会遇到阻力，就好像电阻，在这里我们称之为热阻。热阻的单位为每瓦多少度（°C/W），也就是每流过1瓦的功率会上升多少度。如果知道所需耗散的功率，又知道其热阻，就可以知道它的温升是多少。热阻越大，热量越流不动，温升就越高，热阻越小，热量流动越快，温升就越小。图中表明热量从LED芯片流出到空气需要经过很多不同的热阻：

Rj1：从芯片到安装底板的热阻（也就是芯片的热阻）
       Rj2：焊料的热阻
       Rj3：铝基板的热阻
       Rj4：导热硅胶的热阻
       Rj5：从散热器到空气的热阻

所以从芯片到空气的总热阻就应该是：Rja=Rj1+Rj2+Rj3+Rj4+Rj5。只要知道从芯片到空气的全部热阻，就可以根据需要耗散的功率Pd，计算出结温来，知道了结温也就可以知道其寿命了。

假定环境温度为Ta，那么结温为：Tj = Pd（Rj1+Rj2+Rj3+Rj4+Rj5）+Ta

然而实际的LED灯具，从LED芯片到空气所经过的热阻要远比这个多很多，例如

LED的散热方案[2]

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