熱量對LED的影響

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

　　1.結點溫度過高會導致LED 性能下降，尤其是使用壽命、光色品質及流明輸出。如果超過了額定最高結點溫度，工作溫度每上升10 度，LED 的使用壽命就會下降30% 到50%。

　　2.結點溫度升高后還會導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 實際上發出的是藍色光，通過熒光粉轉化后變為白光。溫度升高后，藍光會朝紅色光譜漂移，與熒光粉的作用發生變化，結果是最終出光的色調發生變化。

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

　　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 燈具就必須設計一套優良的冷卻散熱系統，熱管理可以說是LED 燈具設計中最重要的一環。人們通常采用自然(被動)及人工(主動)散熱系統來散熱。

　　①被動散熱：

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

　　②主動散熱：

　　“主動”的意思是這種散熱系統中含有耗能的機械設備如泵、風機或風扇等。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是必須的，因為這樣能使燈具結構和體型更小。

　　被動散熱系統該怎么設計?

　　LED 燈具中最常見的是被動式散熱系統，做這種系統設計時必須考慮幾項主要因素比如LED 光源的布局、燈具材質的屬性、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化為熱量散發出來，LED 顆粒布局越緊密，散熱空間越少，結點溫度越高。所以LED 顆粒應當在封裝及光學特性容許的條件下間距越大越好。

　　▲LED 顆粒布局

　　2 材料屬性

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

　　鋁是制作散熱片的常見材料，不僅僅因為其性價比高，還由于鋁材，容易加工、壓鑄、擠出。散熱片的另外一項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、結構穩定性好等優勢。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，對流發生的越多。一個例子就是散熱片，之所以設計成目前的形狀就是為了最大化對流的表面積。這種多葉片的結構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準，黑體所輻射能量的比值。理想黑體的ε=1，而真實的材料ε<1。高輻射系數涂料能夠提高熱交換的速率，通常來說，表面顏色越深、越黑，輻射系數越接近1。材料的反射率越高，輻射系數越接近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 的熱阻應當越低越好。

　　5 FR4電路板(FR4 PCB)

　　FR4 是制作PCB 的標準材料。每塊PCB 板上安裝的LED 顆粒數量取決于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 的結構，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。由于微觀結構的凹凸不平，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。當兩塊這樣的表面接觸時，實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——之間的熱傳導系數以提高散熱效率。因為如果不填充，兩種機械接合的材料表面之間充滿空氣的空隙會是熱的不良導體。

　　8 熱界面材料

　　最常見的熱界面材料是白色膠或者導熱膠，最常見的是導熱硅脂，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，在芯片工作溫度下會液化呈油脂狀。

　　9 生產工藝

　　最常見的利用自然對流的技術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(讓散熱片內部的氣泡更少)。由于空氣和鋁的導熱率差距是如此之大，所以一點點的空氣殘留都會導致材料的導熱率大大改變。壓鑄鋁散熱片的導熱性平均比同樣體積和形狀的擠壓鋁散熱片低20-30%。

　　10 外殼設計及安裝方法

　　設計LED 外殼時也要考慮留好從PCB 背板到外殼之間的熱傳導通路。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方案就是在PCB板和外殼之間加一塊導熱板，導熱板可以和PCB 板更好地貼合，增大熱傳導的接觸面積。

　　同樣，最常見的利用自然對流的技術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。