LED知識大全：LED散熱

圖5：用DLC鍍膜和鋁結(jié)合可以比其它結(jié)構(gòu)的LED有更好的散熱特性

　 而且采用紫外線來激發(fā)各種熒光粉也可以得到所需要的各種顏色的LED。而且熒光粉不是采用和環(huán)氧樹脂或硅膠混合的方法而是直接涂于芯片表面還可以避免由于環(huán)氧樹脂和硅膠的老化而產(chǎn)生的光衰。

　這將會使整個LED產(chǎn)生革命性變化。而且擺脫了日美等國的專利束縛。

　　三.集成LED的散熱

　現(xiàn)在有不少廠商把很多LED晶粒集成在一起以得到大功率的LED。這種LED的功率可以達(dá)到5W以上，大多以10W，25W，和50W的功率等級出現(xiàn)。為了把多個LED晶粒（以共晶（Eutectic）或覆晶（Flip-Chip）封裝）連接在一起，因?yàn)檫@些晶粒極為精細(xì)，所以需要采用精確的印制電路進(jìn)行連接。為了得到更好的散熱特性，通常采用陶瓷基板。這種陶瓷基板是由氧化鋁和氮化鋁構(gòu)成。各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)如下表所示。

　　不論氮化鋁還是氧化鋁，它們都是一種絕緣的陶瓷材料，所以可以把印制電路做在上面。但是氮化鋁具有高10倍的導(dǎo)熱系數(shù)，所以現(xiàn)在更常用氮化鋁。過去采用厚膜電路，但是其表面不平，電路邊緣毛糙，而且需要800°C以上的燒結(jié)溫度?，F(xiàn)在大多采用薄膜電路，因?yàn)樗恍枰?00度以下的工藝，表面平整度可以0.3um，不會有氧化物生成，附著性好，電路精細(xì)，誤差低于+/-1%。它實(shí)際上是采用照相刻蝕的方法來制作，采用氧化鋁為基底的薄膜電路制備的具體過程如下：

圖6：薄膜電路的制備過程

　采用氮化鋁的制作方法相同。

　 第二部分LED燈具的散熱

　 前面講的是LED芯片的散熱，然而任何LED都會制成燈具，所以LED芯片所產(chǎn)生的熱量最后總是通過燈具的外殼散到空氣中去。如果散熱不好，因?yàn)長ED芯片的熱容量很小，一點(diǎn)點(diǎn)熱量的積累就會使得芯片的結(jié)溫迅速提高，如果長時期工作在高結(jié)溫的狀態(tài)，它的壽命就會很快縮短。然而這些熱量要能夠真正引導(dǎo)出芯片到達(dá)外部空氣，要經(jīng)過很多途徑。具體來說，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。所以LED燈具的散熱實(shí)際上包括導(dǎo)熱和散熱兩個部分?，F(xiàn)在先來看一下每一個環(huán)節(jié)的導(dǎo)熱性能。

　　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：

　　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：

　　國外和臺灣已經(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，也有時采用導(dǎo)熱更好的銅基板，只是其價錢要更貴。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?shù)姆椒ㄟB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(chǎn)生的熱阻會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)熱膠必須要流動性好，不然的話由于涂抹不均勻仍然會產(chǎn)生氣隙，可能比不用還壞。導(dǎo)熱膠的另一個缺點(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)造人們一定會產(chǎn)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(dǎo)熱膠、擰螺釘?shù)裙ば?，而且還可以省掉導(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?？墒且话愕纳崞鞫际卿X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