熱量對LED的影響

　　LED 對溫度比較敏感，性能受環(huán)境溫度的影響很大。主要表現(xiàn)在以下三個方面：

　　1.結(jié)點(diǎn)溫度過高會導(dǎo)致LED 性能下降，尤其是使用壽命、光色品質(zhì)及流明輸出。如果超過了額定最高結(jié)點(diǎn)溫度，工作溫度每上升10 度，LED 的使用壽命就會下降30% 到50%。

　　2.結(jié)點(diǎn)溫度升高后還會導(dǎo)致明顯的往光譜高端(波長變長)方向的色漂，這對“白光”LED 光源影響很大。大部分所謂“白光”LED 實(shí)際上發(fā)出的是藍(lán)色光，通過熒光粉轉(zhuǎn)化后變?yōu)榘坠狻囟壬吆螅{(lán)光會朝紅色光譜漂移，與熒光粉的作用發(fā)生變化，結(jié)果是最終出光的色調(diào)發(fā)生變化。

　　3.受LED熱管理系統(tǒng)影響的最后一個主要參數(shù)是流明輸出。提高電流能夠提高LED的流明輸出，但是，大電流也會導(dǎo)致發(fā)熱量提高。因此在確定電流值時必須在系統(tǒng)性能和使用壽命之間選擇一個最優(yōu)的平衡。

　　總之，過多熱量會直接影響 LED 光源的短期和長期性能：

　　• 短期：色漂、光輸出減少

　　• 長期：光衰加速，壽命縮短

　　因此要想獲得長壽命、高性能的LED 燈具就必須設(shè)計一套優(yōu)良的冷卻散熱系統(tǒng)，熱管理可以說是LED 燈具設(shè)計中最重要的一環(huán)。人們通常采用自然(被動)及人工(主動)散熱系統(tǒng)來散熱。

　　①被動散熱：

　　“被動”的意思是此種系統(tǒng)不含耗能的機(jī)械設(shè)備如熱泵、風(fēng)機(jī)或風(fēng)扇等。LED 燈具中最常見的被動散熱設(shè)備就是散熱片。通常來說，散熱片由很多組金屬扇片組成，能夠?qū)?LED 光源里積聚的熱量快速傳導(dǎo)出去。由于散熱片本身不消耗能量，因此是最節(jié)能的散熱系統(tǒng)。不過隨著 LED 光源功率的提高，要求散熱面積越來越大，這就需要設(shè)計形狀復(fù)雜的散熱片，反倒給燈具設(shè)計帶來不利的影響。

　　②主動散熱：

　　“主動”的意思是這種散熱系統(tǒng)中含有耗能的機(jī)械設(shè)備如泵、風(fēng)機(jī)或風(fēng)扇等。對于使用大功率高光通封裝 LED 光源的小型燈具來說主動式散熱系統(tǒng)是必須的，因?yàn)檫@樣能使燈具結(jié)構(gòu)和體型更小。

　　被動散熱系統(tǒng)該怎么設(shè)計?

　　LED 燈具中最常見的是被動式散熱系統(tǒng)，做這種系統(tǒng)設(shè)計時必須考慮幾項(xiàng)主要因素比如LED 光源的布局、燈具材質(zhì)的屬性、散熱片的形狀及表面處理，以及下文中描述的其它因素。

　　1 LED 布局間距

　　LED 消耗的大部分電能轉(zhuǎn)化為熱量散發(fā)出來，LED 顆粒布局越緊密，散熱空間越少，結(jié)點(diǎn)溫度越高。所以LED 顆粒應(yīng)當(dāng)在封裝及光學(xué)特性容許的條件下間距越大越好。

　　▲LED 顆粒布局

　　2 材料屬性

　　導(dǎo)熱率是用來衡量熱傳導(dǎo)效率的物理量，材料的導(dǎo)熱率反映了材料的熱傳導(dǎo)能力。某些材料相比其它材料來說是熱的良導(dǎo)體。比如純銅的導(dǎo)熱率為400W/m.K，而空氣的導(dǎo)熱率僅為0.025W/m.K。

　　鋁是制作散熱片的常見材料，不僅僅因?yàn)槠湫詢r比高，還由于鋁材，容易加工、壓鑄、擠出。散熱片的另外一項(xiàng)更要特性是幾何形狀，而鋁型材易于加工成型。除此之外，鋁材還有諸如重量輕、耐腐蝕、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好等優(yōu)勢。綜合來說，鋁是制作散熱片的極佳材料。

　　3 形狀

　　對流是通過氣體或液體的流動，從物體表面帶走熱量的流體過程。表面積越大，對流發(fā)生的越多。一個例子就是散熱片，之所以設(shè)計成目前的形狀就是為了最大化對流的表面積。這種多葉片的結(jié)構(gòu)能夠在體積不變的情況下大大增加表面面積。

　　4 表面處理

　　輻射系數(shù)是反映物體表面輻射釋放能量的相對能力的物理量，通常寫作ε 或是e。其定義是在同一溫度下，某種材料表面輻射能量和標(biāo)準(zhǔn)，黑體所輻射能量的比值。理想黑體的ε=1，而真實(shí)的材料ε<1。高輻射系數(shù)涂料能夠提高熱交換的速率，通常來說，表面顏色越深、越黑，輻射系數(shù)越接近1。材料的反射率越高，輻射系數(shù)越接近0。印刷電路板(PCB)LED 安裝在多層FR4 或是金屬印刷電路板(MCPCB)上，為獲得最佳性能，PCB 的熱阻應(yīng)當(dāng)越低越好。

　　5 FR4電路板(FR4 PCB)

　　FR4 是制作PCB 的標(biāo)準(zhǔn)材料。每塊PCB 板上安裝的LED 顆粒數(shù)量取決于LED 輸入功率及邊界條件等。PCB 板上的熱量通過散熱孔傳到散熱系統(tǒng)上去，這些散熱孔為電鍍通孔(PTH)，可以打通、可以堵上也可以封閉。最終整塊電路板的熱阻是由板上散熱孔的數(shù)量和密度、銅箔層的厚度以及電鍍通孔的鍍層厚度所決定的。

　　6 金屬電路板(MCPCB)

　　下圖展示了MCPCB 的結(jié)構(gòu)，一塊MCPCB 板包括銅層、絕緣層及散熱板、鋁或銅片。增加銅層厚度或者減薄絕緣層厚度都能大大降低熱阻。

　　7 表面粗糙度

　　把散熱片同封裝半導(dǎo)體連接時要求兩部分的固體表面盡可能地充分接觸。不幸的是，無論如何精良的處理，固體表面都不可能是完全平滑的。由于微觀結(jié)構(gòu)的凹凸不平，所有的表面都有一定的粗糙度。這些小突起、小凹洞或扭曲形狀的存在，疊加起來形成肉眼可見的粗糙的不平整表面。當(dāng)兩塊這樣的表面接觸時，實(shí)際上只有兩個面上的小突起在互相接觸，小的凹洞之間仍然是分離的，形成空氣間隙。

　　熱界面材料(TIMs)又稱為熱傳導(dǎo)材料，用來增加接合的固體表面——比如PCB 板和散熱片——之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)以提高散熱效率。因?yàn)槿绻惶畛洌瑑煞N機(jī)械接合的材料表面之間充滿空氣的空隙會是熱的不良導(dǎo)體。

　　8 熱界面材料

　　最常見的熱界面材料是白色膠或者導(dǎo)熱膠，最常見的是導(dǎo)熱硅脂，里面摻了氧化鋁、氧化鋅或是氮化硼，某些牌子的熱界面材料會使用精細(xì)研磨過的銀粉。另外一大類熱界面材料是相變材料，這類材料在室溫下是固態(tài)，在芯片工作溫度下會液化呈油脂狀。

　　9 生產(chǎn)工藝

　　最常見的利用自然對流的技術(shù)就是在封裝外殼的頂部和底部各打幾個洞，讓氣流可以上下貫通，給LED 散熱。對比壓鑄和擠出兩種工藝，擠出法處理過的鋁型材密度會更大(讓散熱片內(nèi)部的氣泡更少)。由于空氣和鋁的導(dǎo)熱率差距是如此之大，所以一點(diǎn)點(diǎn)的空氣殘留都會導(dǎo)致材料的導(dǎo)熱率大大改變。壓鑄鋁散熱片的導(dǎo)熱性平均比同樣體積和形狀的擠壓鋁散熱片低20-30%。

　　10 外殼設(shè)計及安裝方法

　　設(shè)計LED 外殼時也要考慮留好從PCB 背板到外殼之間的熱傳導(dǎo)通路。通常做法都是直接把PCB 板的背面安裝到LED 外殼上，讓兩者最大面積地接觸。

　　這種安裝方式的改進(jìn)方案就是在PCB板和外殼之間加一塊導(dǎo)熱板，導(dǎo)熱板可以和PCB 板更好地貼合，增大熱傳導(dǎo)的接觸面積。

　　同樣，最常見的利用自然對流的技術(shù)就是在封裝外殼的頂部和底部各打幾個洞，讓氣流可以上下貫通，給LED 散熱。