金属传导系数

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1、近年来，大功率LED发展较快，在结构和性能上都有较大的改进，产量上升、价格下降；还开发出单颗功 率为100W的超大功率白光LED。与前几年相比较，在发光效率上有长足的进步。例如，Edison公司前 几年的20W白光LED，其光通量为7001m，发光效率为35lm/W。2007年开发的100W白光LED， 其光通量为6000lm，发光效率为60lm/W。又例如，Lumiled公司最近开发的K2白光LED，与其I、 III系列同类产品比较如表1所示。从表中可以看出：K2白光LED在光通量、最大结温、热阻及外廓尺寸 上都有较大的改进。Cree公司新推出的XLamp XRE冷白光LED，其最高亮度挡Q

2、S在350mA时光 通量可达107114lm。这些性能良好的大功率LED给开发LED白光照明灯具创造了条件。近年来，大功率LED发展较快，在结构和性能上都有较大的改进，产量上升、价格下降；还开发出单 颗功率为100W的超大功率白光LED。与前几年相比较，在发光效率上有长足的进步。例如，Edison公 司前几年的20W白光LED，其光通量为700lm，发光效率为35lm/W2007年开发的100W白光LED， 其光通量为6000lm，发光效率为60lm/W。又例如，Lumiled公司最近开发的K2白光LED，与其I、III系列同类产品比较如表1所示。从表中可以看出：K2白光LED在光通量、最大结

3、温、热阻及外廓尺寸 上都有较大的改进。Cree公司新推出的XLamp XRE冷白光LED，其最高亮度挡QS在350mA时光 通量可达107114lm。这些性能良好的大功率LED给开发LED白光照明灯具创造了条件。前几年，各种白光LED照明灯具主要是采用小功率5白光LED来做的。如15W的灯泡、1520W 的管灯及4060W的路灯、投射灯等。这些灯具使用了几十到几百个5白光LED，生产工艺复杂、可 靠性差、故障率高、外壳尺寸大，并且亮度不足。为改进上述缺点，这几年逐步采用大功率白光LED来替 代5白光LED来设计新型灯具。例如，用18个2W的白光LED做成的街灯，若采用5白光LED则 要几百个。

4、另外，用一个1.25W的K2系列白光LED，可做成光通量为651m的强光手电筒，照射距离 可达几十米。若采用5白光LED来做则是不可能的。潛姑T1S 矗贰馬陕NA芹廉ft叫 I I ! I I I51S-|5图1结温TJ与相对出光率关系图旳二DM=.4s0MLED芯片阴核46,0S5.0OT154.&M喪2玄为菇SLED斡詁俚T.凳武羸it70代时芍器代鹑更第37.3W!3 3DO二 5Wfl-OM阪热總外対装违接罐目前主要采用13W大功率白光LED作照明灯，因为其发光效率高、价格低、应用灵活。大功率LED的散热问题LED是个光电器件，其工作过程中只有15%25%的电能转换成光能，其余的电能几

5、乎都转换成热能,用大功率LED做的灯具其价格比白炽灯、日光灯、节能灯要高得多，但它的节能效果及寿命比其他灯具也 高的多。如果在路灯系统及候机大厅、大型百货商场或超市、高级宾馆大堂等用电大户的公共场所全部采 用LED灯具，其一次性投资较高，但长期的节电效果及经济性都是值得期待的。另外，一般功率器件（如电源IC）的散热计算中，只要结温小于最大允许结温温度（一般是125C ）就可 以了。但在大功率LED散热设计中，其结温TJ要求比125C低得多。其原因是Tj对LED的出光率及寿 命有较大影响：Tj越高会使LED的出光率越低，寿命越短。使LED的温度升高。在大功率LED中，散热是个大问题。例如，1个1

6、0W白光LED若其光电转换效率 为20%，则有8W的电能转换成热能，若不加散热措施，则大功率LED的器芯温度会急速上升，当其结 温（Tj）上升超过最大允许温度时（一般是150C），大功率LED会因过热而损坏。因此在大功率LED 灯具设计中，最主要的设计工作就是散热设计。图2 K2系列的内部结构图1是K2系列白光LED的结温TJ与相对出光率的关系曲线。在Tj = 25C时，相对出光率为1； TJ = 70 时相对出光率降为0.9； Tj=115C时，则降到0.8 了。表2是Edison公司给出的大功率白光LED的结温TJ在亮度衰减70%时与寿命的关系（不同LED生产 厂家的寿命并不相同，仅做参考

7、）。电战封装材料光学透僮图3 NCCWO22的内部结构在表2中可看出：Tj = 50C时，寿命为90000小时；Tj = 80C时，寿命降到34000小时；Tj=115C时, 其寿命只有13300小时了。TJ在散热设计中要提出最大允许结温值TJmax,实际的结温值TJ应小于或等 于要求的TJmax,即TJTcTA），散热路 径如图6所示。在热的传导过程中，各种材料的导热性能不同，即有不同的热阻。若管芯传导到散热垫底面的热阻为RJC （LED的热阻）、散热垫传导到PCB面层敷铜层的热阻为Rcb、Pcb传导到环境空气的热阻为Rba，则从管 芯的结温片传导到空气TA的总热阻RJA与各热阻关系为：Rj

8、a=Rjc+Rcb+RBA各热阻的单位是。C/W。可以这样理解：热阻越小，其导热性能越好，即散热性能越好。如果LED的散热垫与PCB的敷铜层采用回流焊焊在一起，则Rcb=0,则上式可写成:Rja=Rjc+RBA散热的计算公式若结温为Tj、环境温度为Ta、LED的功耗为PD,则Rja与Tj、Ta及PD的关系为:R =（T T ） /P （1）JAJ TA丿/厂D式中Pd的单位是W。Pd与LED的正向压降V及LED的正向电流、的关系为: PD = VFXIF如果已测出LED散热垫的温度TC，0（1）式可写成:Rja=（TjTc）/Pd+（TcTa）/Pd则 Rjc=（TjTc）/Pd（3）Rba=

9、(TcTc)/Pd在散热计算中，当选择了大功率LED后，从数据资料中可找到其Rjc值；当确定LED的正向电流IF后， 根据LED的VF可计算出PD；若已测出TC的温度，则按（3）式可求出TJ来。在测TC前，先要做一个实验板（选择某种PCB、确定一定的面积）、焊上LED、输入IF电流，等稳定后, 用K型热电偶点温度计测LED的散热垫温度TC。在（4）式中，TC及Ta可以测出，PD可以求出，则Rba值可以计算出来。若计算出TJ来，代入（1）式可求出Rja。这种通过试验、计算出TJ方法是基于用某种PCB及一定散热面积。如果计算出来的TJ小于要求（或等于） TJmax，则可认为选择的PCB及面积合适；

10、若计算来的TJ大于要求的TJmax，则要更换散热性能更好的 PCB，或者增加PCB的散热面积。另外，若选择的LED的Rjc值太大，在设计上也可以更换性能上更好并且Rjc值更小的大功率LED，使满 足计算出来的TJlmax。这一点在计算举例中说明。200铜层介质层金属层柔世介喷层图7 MCPCB结构图采用高导热性介质的MCPCB有最好的散热性能，但价格较贵。柔性PCB粘在铝合金板上的结构如图8所示。一般采用的各层厚度尺寸如表4所示。13W星状LED 采用此结构。其散热效果与铜层及金属层厚如度尺寸及绝缘介质的导热性有关。一般采用35Mm铜层及1.5mm铝合金 的 MCPCB。各种不同的PCB目前应

11、用与大功率LED作散热的PCB有三种：普通双面敷铜板（FR4）、铝合金基敷铜板（MCPCB）、 柔性薄膜PCB用胶粘在铝合金板上的PCB。MCPCB的结构如图7所示。各层的厚度尺寸如表3所示。5-100 出m黏结剂急铜层-粘结剂柔性层铝板图8散热层结构图计算举例这里采用了 NICHIA公司的测量TC的实例中取部分数据作为计算举例。已知条件如下：LED： 3W白光LED、型号MCCW022、Rjc=16C/W。K型热电偶点温度计测量头焊在散热垫上。PCB试验板：双层敷铜板(40x40mm)、t=1.6mm、焊接面铜层面积1180mm2背面铜层面积 1600mm2。LED 工作状态：IF=500m

12、A、VF = 3.97V。按图9用K型热电偶点温度计测TC，Tc=71C。测试时环境温度TA = 25C.1.TJ计算T =R xP +T =R (I xV ) +TJ JC D C JC VIF F丿 +TCTj=16C/W (500mAx3.97V)+71C = 103CNCCW02S LED1测議点图9 TC测量位置图2.RBA计算R = (T T ) /PJAC A /PD=(71c 25C) /1.99W= 23.1C/W3.RJA计算Rja=Rjc+RBA= 16C/W+23.1C/W= 39.1 C/W如果设计的Tjmax=90C，则按上述条件计算出来的TJ不能满足设计要求，需要

13、改换散热更好的PCB或 增大散热面积，并再一次试验及计算，直到满足TJTjmax为止。另外一种方法是，在采用的LED的RJC值太大时，若更换新型同类产品RJC=9C/W(IF=500mA时 Vf=3.65V),其他条件不变，TJ计算为：TJ=9C/W (500mAx3.65V) +71C= 87.4C上式计算中71C有一些误差，应焊上新的9C/W的LED重新测TC (测出的值比71C略小)。这对计算 影响不大。采用了 9C/W的LED后不用改变PCB材质及面积，其符合设计的要求。PCB背面加散热片若计算出来的TJ比设计要求的Tjmax大得多，而且在结构上又不允许增加面积时，可考虑将PCB背面粘 在“u”形的铝型材上（或铝板冲压件上），或粘在散热片上，如图10所示。这两种方法是在多个大功率 LED的灯具设计中常用的。例如，上述计算举例中，在计算出Tj = 103C的PCB背后粘贴一个10C/W 的散热片，其TJ降到80C左右。图10 “U”形铝型材这里要说明的是，上述TC