LED的散熱

4.2導熱膠和導熱雙面膠帶

鋁基板雖然已經解決了從LED連接到以鋁板為基板的電路上，可以把熱傳遞到鋁板上，但是遺憾的是，這個鋁板往往還不是最終的散熱器，通常還要把這個鋁板連接到真正的散熱器上去。最簡單的方法就是用鉚釘或螺釘的方法連接到散熱器。但是這種方法往往會形成空氣隙，而很小的空氣隙產生的熱阻會比其他熱阻大幾十倍。因為空氣的導熱系數為0.023W/m?k。所以必須涂上導熱膠來填充空隙。一般的導熱硅膠的導熱系數大約在1-2W/m?k。

但是導熱膠必須要流動性好，不然的話由于涂抹不均勻仍然會產生氣隙，可能比不用還壞。導熱膠的另一個缺點是本身的粘性不足以把鋁基板固定在鋁散熱器上。

所以另一種方法是采用有很強黏結性而又導熱的雙面膠片。這種導熱膠片是使用丙烯系列材料制造出來帶有粘性的熱傳導片，它是屬于有粘性和低熱抵抗的散熱材料。而且具備熱傳導性和柔軟性，可以緊貼零件上的凹凸部位，從而防止了氣隙的存在。導熱硅膠片的導熱系數通常在2-3W/m?k之間。它的抗拉強度可達8kg/cm2。足以黏結鋁基板和鋁散熱器。耐壓可達4KV/mm。

4.3柔性印制板

從鋁基板的構造人們一定會產生這樣的疑問，為什么印制電路要先粘到一個薄鋁板上而不是直接粘到散熱器上？這樣還可以省去鉆孔、涂導熱膠、擰螺釘等工序，而且還可以省掉導熱膠的熱阻。主要原因是散熱器的形狀一般不是簡單的平面，要熱壓黏結比較困難，而且散熱器是由燈具廠設計制造的，而鋁基板則是由印制板廠制造的。解決這個問題的方法是采用柔性印制板再貼到鋁散熱器上去。

4.4LED直接焊到鋁散熱器上去。這是一種更為革命的徹底解決方法。對于1W以上的大功率LED，通常它的散熱銅底板是和兩個電極是絕緣的。為了使它能夠更直接散熱，最好把它的散熱底板直接和散熱器焊接在一起。可是一般的散熱器都是鋁合金制成的，是無法焊接的。如果采用銅散熱器當然可以解決這個問題，但是無論是價錢和重量都是無法接受的。一個簡單的解決方法是在鋁散熱器上噴鍍銅。然后再在柔性印制板上打洞，使得LED的銅底板直接暴露在散熱器面上，然后采用低溫焊錫進行焊接。這種方法可以免除掉鋁基板的熱阻和導熱硅膠或硅片的熱阻。從而大大提高了散熱效率。總之，LED到散熱器之間的界面越少越好。

五.熱管導熱

在很多場合需要把LED所產生的熱量以最快的速度傳送到散熱器，這在采用集成式的單片大功率LED中尤其重要，因為它的熱量很大（功率可達50W-100W）又很集中（有時只有30mm），這時候就必須采用熱管散熱。

熱管也稱為相變導熱器，因為在其中的液體從液相變為氣相而導熱。它的熱阻非常小，大約只有0.065°C/W。

圖7.熱管導熱原理

其內壁采用銅粉燒結，以利于變回液相的載熱體吸附其上而回流。然而，熱管只能把熱傳送到遠端，而并沒有把熱量散發到空氣中去。所以即使采用熱管，還是需要有普通的鋁散熱器把熱量散發出去。再次要提醒注意的是，采用銅熱管以后，要特別注意它和前端的鋁基板以及后端的鋁散熱器的結合部一定要互相緊密地接觸并防止由于熱膨脹系數的不同而脫開。在其結合部要采用高質量的導熱硅膠涂敷。

導熱效果更好的是回路熱管

圖8.回路熱管

回路熱管的最大優點就是它的不需要外加動力裝置就可以循環導熱、導熱距離長，傳送功率大（幾百瓦），形狀多樣性和不受重力要求的限制，也就是說它可以任意放置。臺灣的陽杰科技公司采用了回路熱管技術以后，150W的LED路燈重量只有8.5公斤，100W的LED路燈，重量只有5.5公斤。

六．系統的熱阻

各部分的導熱能力也可以用系統的熱阻來說明，一個LED燈具的結構圖見圖9。

圖9.LED燈具的散熱結構圖

從圖中可以看出，LED芯片所產生的熱，從它的金屬散熱塊出來，先經過焊料到鋁基板的PCB，再通過導熱膠才到鋁散熱器。而要定量地了解LED芯片的散熱過程，最好利用熱阻的概念。熱量就好像電荷，熱量流動起來就好像電流，流動的過程中會遇到阻力，就好像電阻，在這里我們稱之為熱阻。熱阻的單位為每瓦多少度（°C/W），也就是每流過1瓦的功率會上升多少度。如果知道所需耗散的功率，又知道其熱阻，就可以知道它的溫升是多少。熱阻越大，熱量越流不動，溫升就越高，熱阻越小，熱量流動越快，溫升就越小。圖中表明熱量從LED芯片流出到空氣需要經過很多不同的熱阻：

Rj1：從芯片到安裝底板的熱阻（也就是芯片的熱阻）

Rj2：焊料的熱阻

Rj3：鋁基板的熱阻

Rj4：導熱硅膠的熱阻

Rj5：從散熱器到空氣的熱阻

所以從芯片到空氣的總熱阻就應該是：

Rja=Rj1+Rj2+Rj3+Rj4+Rj5

只要知道從芯片到空氣的全部熱阻，就可以根據需要耗散的功率Pd，計算出結溫來，知道了結溫也就可以知道其壽命了。

假定環境溫度為Ta，那么結溫為：

Tj=Pd（Rj1+Rj2+Rj3+Rj4+Rj5）+Ta

然而實際的LED燈具，從LED芯片到空氣所經過的熱阻要遠比這個多很多，例如，通常薄膜印制板是安裝在鋁基板上，鋁基板再安裝到鋁散熱器上，其間還要涂上導熱膠，導熱膠的厚度很難估計，而且其中還有殘存的氣隙。對于采用熱管的燈具，則還要考慮熱管和散熱鰭片之間的空隙和導熱膠的熱阻等問題。

而且最難估算的是Rj5，也就是散熱器到空氣的熱阻。這牽涉到很多有關對流和輻射的散熱機制問題。

需要注意的是在計算LED的散熱時，經常犯的一個錯誤是把LED的全部功率當成是其耗散功率Pd。例如，一個1W的LED，其正向電壓是3.3V，正向電流是350mA。于是就把這二者的乘積1.155瓦作為其耗散功率。這是錯誤的。因為這只是其輸入功率，而不是其耗散功率。有一部分輸入功率變成了有用的光發射出去了。需要作為熱來耗散的那部分，應當是輸入功率減去以有用光的形式發射出去的那部分，才是需要作為熱而耗散的那部分。不過這部分比較難計算。一般來說，因為LED的發光效率有所不同，而這個耗散功率也有所不同。一般來說，可以作如下的近似：發光效率為100lm/W，其耗散功率應為70%輸入功率，對于上面所說的1W的LED，也就是1.155x0.7=0.8W變成無用的熱需要散發出去。

那么是不是知道了所有各部分的熱阻，我們就可以知道這個LED燈具的總熱阻，也就可以知道LED芯片的結溫，也就可以知道這個燈具的壽命了呢？

情況遠遠不是那么簡單，雖然我們可以仔細分析每一部分的熱阻，甚至還可以得到比較精確的數字，但是還是有很多重要的因素被我們忽略掉了。因為上面的這個模型只不過是單個LED的燈具的模型，而實際的燈具要比這個模型復雜很多。

1．LED的分布。在很多情況下，LED燈具里是由很多顆LED所構成而不是只有一個LED。可能所有這些LED都焊在一塊鋁基板上。這時候如果只用標準的鋁基板的熱阻來計算整個燈具的熱阻就會有很大的出入。因為每個LED的散熱會受到周圍LED所發出的熱影響。換句話說，這時鋁基板的熱阻是很難計算的。

2．其他熱源的影響，例如LED的恒流電源就是重要的發熱源，假如這個發熱源靠近某些LED，那么就會明顯降低這些LED的散熱而縮短其壽命。也相當于改變了其熱阻。

3．熱阻實際上只考慮了熱傳導，而根本沒有考慮熱對