大功率LED散熱設計詳解

用大功率LED做的燈具其價格比白熾燈、日光燈、節能燈要高得多，但它的節能效果及壽命比其他燈具也高的多。如果在路燈系統及候機大廳、大型百貨商場或超市、高級賓館大堂等用電大戶的公共場所全部采用LED燈具，其一次性投資較高，但長期的節電效果及經濟性都是值得期待的。
近年來，大功率LED發展較快，在結構和性能上都有較大的改進，產量上升、價格下降；還開發出單顆功率為100W的超大功率白光LED。與前幾年相比較，在發光效率上有長足的進步。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的管燈及40～60W的路燈、投射燈等。這些燈具使用了幾十到幾百個Φ5白光LED，生產工藝復雜、可靠性差、故障率高、外殼尺寸大，并且亮度不足。為改進上述缺點，這幾年逐步采用大功率白光LED來替代Φ5白光LED來設計新型燈具。例如，用18個2W的白光LED做成的街燈，若采用Φ5白光LED則要幾百個。另外，用一個1.25W的K2系列白光LED，可做成光通量為65lm的強光手電筒，照射距離可達幾十米。若采用Φ5白光LED來做則是不可能的。目前主要采用1～3W大功率白光LED作照明燈，因為其發光效率高、價格低、應用靈活。
大功率LED的散熱問題
LED是個光電器件，其工作過程中只有15%～25%的電能轉換成光能，其余的電能幾乎都轉換成熱能，使LED的溫度升高。在大功率LED中，散熱是個大問題。例如，1個10W白光LED若其光電轉換效率為20%，則有8W的電能轉換成熱能，若不加散熱措施，則大功率LED的器芯溫度會急速上升，當其結溫（TJ）上升超過最大允許溫度時（一般是150℃），大功率LED會因過熱而損壞。因此在大功率LED燈具設計中，最主要的設計工作就是散熱設計。

另外，一般功率器件（如電源IC）的散熱計算中，只要結溫小于最大允許結溫溫度（一般是125℃）就可以了。但在大功率LED散熱設計中，其結溫TJ要求比125℃低得多。其原因是TJ對LED的出光率及壽命有較大影響：TJ越高會使LED的出光率越低，壽命越短。


圖1  結溫TJ與相對出光率關系圖


圖2  K2系列的內部結構

圖1是K2系列白光LED的結溫TJ與相對出光率的關系曲線。在TJ=25℃時，相對出光率為1；TJ=70℃時相對出光率降為0.9；TJ=115℃時，則降到0.8了。
表2是Edison公司給出的大功率白光LED的結溫TJ在亮度衰減70%時與壽命的關系（不同LED生產廠家的壽命并不相同，僅做參考）。

圖3  NCCWO22的內部結構

在表2中可看出：TJ=50℃時，壽命為90000小時；TJ=80℃時，壽命降到34000小時；TJ=115℃時，其壽命只有13300小時了。TJ在散熱設計中要提出最大允許結溫值TJmax,實際的結溫值TJ應小于或等于要求的TJmax,即TJ≤TJmax。

圖4  LED與PCB焊接圖
大功率LED的散熱路徑.
大功率LED在結構設計上是十分重視散熱的。圖2是Lumiled公司K2系列的內部結構、圖3是NICHIA公司NCCW022的內部結構。從這兩圖可以看出：在管芯下面有一個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5  雙層敷銅層散熱結構

大功率LED是焊在印制板（PCB）上的，如圖4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5所示。這是一種最簡單的散熱結構。

圖6  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→環境空氣。若LED的結溫為TJ，環境空氣的溫度為TA,散熱墊底部的溫度為Tc（TJ＞Tc＞TA），散熱路徑如圖6所示。

在熱的傳導過程中，各種材料的導熱性能不同，即有不同的熱阻。若管芯傳導到散熱墊底面的熱阻為RJC（LED的熱阻）、散熱墊傳導到PCB面層敷銅層的熱阻為RCB、PCB傳導到環境空氣的熱阻為RBA,則從管芯的結溫TJ傳導到空氣TA的總熱阻RJA與各熱阻關系為： 
 
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