一种基于LED照明灯具的散热片设计与分析

1.引言

本文引用地址： 照明具有三个最为主要的优点：节能、环保、绿色照明。这使得LED 成为当今世界上替代传统光源的新一代光源之一。在LED 工作过程中，由于是PN 结工作，LED芯片会有发热现象产生，所以必须针对这种情况做好散热设计。LED 照明灯具发光后产生的热量主要通过LED基板和安装在LED 上的散热装置传导出去。而良好的散热设计可以大幅度延长LED 的使用寿命，因此散热设计对LED 光源的性能起着至关重要的作用。

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。

2 大功率LED的结构及导热途径

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。

3 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。

然而，当应用场合受限于传导特性为重点时，通常使用铜。除这两种材料之外，一些增加散热的材料如以碳为基材的化合物材料、金属粉沫烧结材料、化合的钻石以及石墨等都是目前受瞩目的热传导材料。

AlSiC 是目前最新的材料，它是混合各种铝合金以制成特殊的物理性质，有控制的热膨胀、高传导性以及显着的强度特性。当然由于成本关系，这些新材料一般用在功率模块底部和芯片直接接触的基板。

4 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。

包络体积是指散热片所占的体积，如果发热功率大，所需的散热片体积就比较大。散热片的设计可就包络体积做初步的设计，然后再就散热片的细部。发热瓦数和包络体积的关系如式（1）所示：

要使得散热片效率增加，散热片底部厚度有很大的影响，散热片底部必须够厚才能使热顺利地传到所有的鳍片，使得所有鳍片有最好的利用效率。

但是若底部太厚，除了浪费材料，也会造成热量累积，反而使导热能力降低。良好的底部厚度设计必须由热源部分厚而向边缘部份变薄，如此可使散热片由热源部分吸收足够的热向周围较薄的部分迅速传递。散热瓦数和底部厚度的关系如式（2）所示：

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