LED散熱分析

　　四.各種電路基板的導(dǎo)熱

　　在把LED連接到散熱器之前，首先要把它們焊接到電路中去，因?yàn)槭紫纫堰@些LED連接成幾串幾并，同時(shí)還要把他們和恒流源在電路上連接起來。最簡單的辦法是把它們直接焊接到普通印制板上去。對于一些很小功率的LED，例如LED指示燈的確是可以這樣做的。但是對于大多數(shù)高亮度和高功率LED來說，普通玻璃纖維印制板的導(dǎo)熱性能就顯得太差了，而必須改成用銅基板或鋁基板甚至陶瓷覆銅板。各種基板的性能如下：

　　基板類型特點(diǎn)

　　普通印制電路板技術(shù)成熟，具有Layout上的優(yōu)勢，散熱性能差、尺寸大，只適合于低功率產(chǎn)品

　　柔性印制電路重量輕，可彎性，厚度薄， 熱傳導(dǎo)率約為：2~3W/mK

　　高導(dǎo)熱系數(shù)鋁基板印制板基底為鋁板，熱傳導(dǎo)率約為1~2.2W/mK

　　陶瓷覆銅板DCB熱傳導(dǎo)率高，約200~800W/mK，制作困難，不易量產(chǎn)

4.1鋁基板

　　目前幾乎絕大多數(shù)的LED燈具中都采用了鋁基板。鋁基板上電路的銅箔為了要導(dǎo)電和導(dǎo)熱要有足夠的厚度和寬度，其厚度在35μm-280μm之間。其寬度最好盡可能布滿整個(gè)基板，以便把熱傳下去。而下面一層絕緣體則要求其絕緣性能很好，而且還要導(dǎo)熱性能很好。然而這兩個(gè)性能是矛盾的，通常都是導(dǎo)體的導(dǎo)熱性能好，而絕緣體的導(dǎo)熱性能差。又要導(dǎo)熱好又要絕緣好是很難做到的。也是一種科研的課題。目前采用的是一種摻有陶瓷填充物的改性環(huán)氧樹脂或環(huán)氧玻璃布粘結(jié)片。通過熱壓把銅箔絕緣體和鋁板粘結(jié)起來。有一些LED燈具，雖然散熱器是經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，但是很快就壞，問題就是出在采用了熱阻很大的鋁基板或是剝離強(qiáng)度很差的鋁基板。用一段時(shí)間，電路薄膜就翹了起來，也就完全無法導(dǎo)熱，很快就燒壞LED。

　　對于優(yōu)質(zhì)鋁基板通常要求其熱阻小于1°C/W。下表是某種鋁基板的規(guī)格：

　　性能指標(biāo)I型鋁基板II型鋁基板

　　熱阻(°C/W)鋁板厚1.5mm0.90.9

　　剝離強(qiáng)度(N/mm)1.82.0

　　絕緣電阻(MΩ)107106

　　擊穿電壓(KV)>3>3

　　熱沖擊(260°C) S(秒)120120

　　燃燒性UL94V-0UL94V-0

　　銅箔厚 (mm)0.018,0.035,0.070

　　尺寸規(guī)格 (mm)500x600x(0.5,1.0,1.5,2.0,2.5,3.0)

　　國外和臺(tái)灣已經(jīng)能夠生產(chǎn)一種“全膠鋁基板”。所謂全膠是指它的絕緣層完全不用絕緣布，而是用一種絕緣膠。采用絕緣布的鋁基板的熱阻實(shí)際上通常在1.7-3.2°C/W。而采用全膠的鋁基板的熱阻可以做到0.05°C/W，市場出售的商品也可以低至0.2-0.5°C/W。

　　一種性能更好的鋁基板是采用直接在鋁板上生成陶瓷印制電路。先在鋁的表面用微弧氧化生長一層100μm厚的氧化鋁薄膜，再用濺射或絲網(wǎng)印刷制作電路層。采用這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)合力強(qiáng)，而且導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)2.1W/m.K，而且氧化層的熱膨脹系數(shù)和鋁差不多，所以它的剝離強(qiáng)度高達(dá)5N/mm以上。只是因?yàn)檫@種陶瓷鋁基板的加工制造過程復(fù)雜，成本高，所以還很少采用。

　　雖然鋁基板只是一種特殊的印制板，但是它卻承擔(dān)著很重的散熱任務(wù)，不僅絕緣層的導(dǎo)熱要好，粘結(jié)要牢，而且它的外形還必須和散熱器的外形配合，例如，在路燈里，通常是長方形的外形，在射燈中，通常是圓形的，而在日光燈中，通常是長條形的。為了得到更好的導(dǎo)熱性，也有時(shí)采用導(dǎo)熱更好的銅基板，只是其價(jià)錢要更貴。而且最后還是要連接到鋁制散熱器上去。有可能會(huì)產(chǎn)生熱膨脹系數(shù)不同而裂開的問題。

　　4.2導(dǎo)熱膠和導(dǎo)熱雙面膠帶

　　鋁基板雖然已經(jīng)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(gè)鋁板往往還不是最終的散熱器，通常還要把這個(gè)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?shù)姆椒ㄟB接到散熱器。但是這種方法往往會(huì)形成空氣隙，而很小的空氣隙產(chǎn)生的熱阻會(huì)比其他熱阻大幾十倍。因?yàn)榭諝獾膶?dǎo)熱系數(shù)為0.023W/m?k。所以必須涂上導(dǎo)熱膠來填充空隙。一般的導(dǎo)熱硅膠的導(dǎo)熱系數(shù)大約在1-2W/m?k。

　　但是導(dǎo)熱膠必須要流動(dòng)性好，不然的話由于涂抹不均勻仍然會(huì)產(chǎn)生氣隙，可能比不用還壞。導(dǎo)熱膠的另一個(gè)缺點(diǎn)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(qiáng)黏結(jié)性而又導(dǎo)熱的雙面膠片。這種導(dǎo)熱膠片是使用丙烯系列材料制造出來帶有粘性的熱傳導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)熱硅膠片的導(dǎo)熱系數(shù)通常在2-3W/m?k之間。它的抗拉強(qiáng)度可達(dá)8kg/cm2。足以黏結(jié)鋁基板和鋁散熱器。耐壓可達(dá)4KV/mm。

　　4.3柔性印制板

　　從鋁基板的構(gòu)造人們一定會(huì)產(chǎn)生這樣的疑問，為什么印制電路要先粘到一個(gè)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(dǎo)熱膠、擰螺釘?shù)裙ば颍疫€可以省掉導(dǎo)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(jié)比較困難，而且散熱器是由燈具廠設(shè)計(jì)制造的，而鋁基板則是由印制板廠制造的。解決這個(gè)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(gè)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(dāng)然可以解決這個(gè)問題，但是無論是價(jià)錢和重量都是無法接受的。一個(gè)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(jìn)行焊接。這種方法可以免除掉鋁基板的熱阻和導(dǎo)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(dǎo)熱

　　在很多場合需要把LED所產(chǎn)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?yàn)樗臒崃亢艽?功率可達(dá)50W-100W)又很集中(有時(shí)只有30mm)，這時(shí)候就必須采用熱管散熱。

　　熱管也稱為相變導(dǎo)熱器，因?yàn)樵谄渲械囊后w從液相變?yōu)闅庀喽鴮?dǎo)熱。它的熱阻非常小，大約只有0.065°C/W。

　　圖7.熱管導(dǎo)熱原理

　　其內(nèi)壁采用銅粉燒結(jié)，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(yuǎn)端，而并沒有把熱量散發(fā)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(fā)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(jié)合部一定要互相緊密地接觸并防止由于熱膨脹系數(shù)的不同而脫開。在其結(jié)合部要采用高質(zhì)量的導(dǎo)熱硅膠涂敷。

　　導(dǎo)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(yōu)點(diǎn)就是它的不需要外加動(dòng)力裝置就可以循環(huán)導(dǎo)熱、導(dǎo)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(tái)灣的陽杰科技公司采用了回路熱管技術(shù)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。

　　各部分的導(dǎo)熱能力也可以用系統(tǒng)的熱阻來說明，一個(gè)LED燈具的結(jié)構(gòu)圖見圖9。

　　圖9.LED燈具的散熱結(jié)構(gòu)圖

　　從圖中可以看出，LED芯片所產(chǎn)生的熱，從它的金屬散熱塊出來，先經(jīng)過焊料到鋁基板的PCB，再通過導(dǎo)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(dòng)起來就好像電流，流動(dòng)的過程中會(huì)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(huì)上升多少度。如果知道所需耗散的功率，