一種基于LED照明燈具的散熱片設計與分析

1.引言

　　LED 照明具有三個最為主要的優點：節能、環保、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 工作過程中，由于是PN 結工作，LED芯片會有發熱現象產生，所以必須針對這種情況做好散熱設計。LED 照明燈具發光后產生的熱量主要通過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LED 的使用壽命，因此散熱設計對LED 光源的性能起著至關重要的作用。

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

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

　　從引線架到引線端通過熱傳導形成從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。熱從引線端同時通過熱傳導以及經電路板的表面對流和輻射通過熱提取實現擴散。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的影響。

　　3 照明所用LED散熱基板特點分析

　　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間內就會升高。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 的波長還將發生“紅移”（橙紅色和琥珀色的LED 色漂移的視覺效應更顯著）。所以考慮到實際應用中對色漂移的不良影響，熱設計也要對最高結溫進行限制。

　　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鍵環節，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%，但缺點是比鋁重三倍左右，而且很難加工。

　　然而，當應用場合受限于傳導特性為重點時，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，有控制的熱膨脹、高傳導性以及顯著的強度特性。當然由于成本關系，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

　　散熱片的種類很多，由制造方式來看，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。

　　包絡體積是指散熱片所占的體積，如果發熱功率大，所需的散熱片體積就比較大。散熱片的設計可就包絡體積做初步的設計，然后再就散熱片的細部。發熱瓦數和包絡體積的關系如式（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圍較薄的部分迅速傳遞。散熱瓦數和底部厚度的關系如式（2）所示：