LED照明灯具的散热片设计

 

　　解决散热问题的方法主要有两种：(1)改善灯具内部LED 芯片的质量，在同样的工作电流下提高芯片发光的内量子效率，从而提高芯片的发光效率;(2)改进灯具外部的散热设计，配置合理的散热装置，以加快散热过程。本文主要从第二点出发，对LED照明灯具的散热进行分析。

　　1 大功率LED

　　图1 显示出SMT LED 封装中的基本内部结构。

 

　　这里是一个TOP LED，它也是一个在印刷电路板上安装实现散热的方法。LED 由焊接或压焊粘合的引线架上安装的芯片组成。引线由高导电材料铜组成。

　　从引线架到引线端通过热传导形成从PN 结处的主要热流通路径。另一部分的传输路径是从芯片的表面到封装表面。热从引线端同时通过热传导以及经电路板的表面对流和辐射通过热提取实现扩散。从PCB 板到空气的热传输效率对于芯片和空气之间的温度差有显着的影响。

　　2 照明所用LED散热基板特点分析

　　LED芯片有源区面积小、工作电流大，造成LED芯片的工作温度很短时间内就会升高。LED 的PN结结温上升导致LED输出光功率减小，加速芯片老化，器件寿命缩短。随结温的上升LED 的波长还将发生“红移”(橙红色和琥珀色的LED 色漂移的视觉效应更显着)。所以考虑到实际应用中对色漂移的不良影响，热设计也要对最高结温进行限制。

　　在大功率LED 散热通道中，散热基板是连接内外散热通路的关键环节，它至少有以下功能：(1)LED 芯片的散热通道;(2)LED 芯片的电气连接基板;(3)LED芯片的物理支撑。照明所用大功率LED的基板材料必须有高电绝缘性能、高稳定性、高热导率，与芯片相近的热膨胀系数以及平整性和较高的强度。

　　传统散热片材料为铝合金或铜材料，铝的热传导性可达209 W /m ·K，加工特性很好、成本低，因此应用非常广泛。铜的热传导率390 W /m ·K，比铝增加70%，但缺点是比铝重三倍左右，而且很难加工。

　　3 LED照明灯具所用散热片的设计

　　散热片的种类很多，由制造方式来看，气冷的散热片可分为压印散热片、挤型散热片、铸造散热片、接着散热片、折迭散热片、改良式的铸造散热片、锻造散热片、切削散热片、机械加工散热片等。

　　散热片的大小与厚度，直接影响了有效散热面积与排热的能力。良好的散热片应该大于接触面，同时还要有尽量多的散热面积才行。散(导)热垫片也是一种极佳的导热材料，它与散热片的结合，可以改善散热效果。

　　散热片表面做耐酸铝或阳极处理可以增加热辐射性能，从而增加散热片的散热效能。一般而言，外部颜色是白色或黑色关系不大。表面突起的处理可增加散热面积，但是在自然对流的场合，反而可能阻碍空气流动而降低效率。

　　上述设计方式仅供参考，实际散热片设计时还需考虑与器件以及环境的配合，尤其是高效能散热片的设计需配合实验验证以及计算机分析模拟。目前散热片的设计已渐渐趋向极限，空气冷却的方式无法满足大功率LED 的散热需求，散热片设计应结合LED 的功率数这个特点，使得散热的设计更为弹性及多样化。不论如何，散热片仍然是LED 灯具最常见的散热方式，善用散热片设计可改善LED 发热状况。

　　4 LED在散热片表面分布的散热分析

　　为分析LED 芯片在散热片上热分布情况，我们通过在一块散热片上放置LED 的相对位置不同，来分析对散热的影响。实验材料为一块大小为200mm× 60mm× 15mm的散热片，两块导热垫片导热系数是6.0W/m·K，面积是20mm×30mm。配有两块焊有LED芯片的单个铝基PCB板(大小是15cm× 20cm，每块PCB板焊有一颗LED芯片)。测试仪器为FLUKE温度传感器，实验时环境温度为26℃，环境相对湿度为52 %。

　　在给定面积的散热片上LED芯片与LED芯片的位置尽量远一些，也就是说在设计PCB 板时，LED芯片的位置应尽量分散，不要集中在一起。如果在灯具大小允许的情况下，PCB 板的面积也应尽量大一些，因为一般散热片的面积和PCB 板的面积大小差不多，这样有助于散热。但也不能过大，因为从上面分析中可以看出，面积大到一定程度时散热效果就基本不变了。