LED照明灯具散热结构优化设计李建雄.docx

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LED照明灯具散热结构优化设计李建雄

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摘要：随着取出荧光粉量子效率以及芯片封装制造技术的不断提升，从性能与结构上来看，LED取得了不小进步。如何散热结构的设计成了设计人员重点突破的方向，怎么样降低成本，提高灯具的稳定性成了LED照明突破市场的关键点。

关键词：LED灯具普通照明互通式散热结构

引言：LED照明灯具设计较为复杂，涉及内容较多，如光学、机械及电子等，其中散热结构作为最为重要的一部分，在灯具使用过程中，极少部分功率会转换为光，而剩余大部分则会转化为热，如果不能够及时、有效处理热能，会极大影响灯具的使用寿命，且在一定程度上影响发光效率，要对LED照明灯具的散热结构进行优化设计。

1LED照明灯具优势

节能、安全性较高，LED照明灯具的整体光效高，并且在反射时，灯具的损失较低，采用数字调光系统，会使省电效果更加明显。现阶段，同传统高压钠灯相比，LED照明灯具节电能比其节省60%。将LED照明灯具与太阳能系统配套使用，会发挥出更大效果的能源利用率；维护成本较低，LED照明灯具不需要频繁更换，一般可以使用10年左右。与此同时，相比于过去的高压钠灯，LED照明灯具在安装造价、铺设、耗电等方面的成本也低很多，就相应的减少了电缆、变压器及工程费用等，配光容易，LED照明灯具的光源非常靠近自然光，同时，可以人为的对光色进行控制，可以利用配光来满足不同领域照明的具体需求。还可以控制光色的均匀度，不至于像传统光源一样光色太单调；安全环保，LED照明灯具的光源没有辐射，也不会造成光污染，不会对人体造成伤害，维护简单，方便管理，也不需要经常保养，使用寿命较长，短时间内不需要更换。

2散热设计思路

（1）芯片芯板传热

早期的LED灯具由于采用LED灯珠，应用范围不广，单芯片的灯珠由于功率不高，发热量有限，所以对散热的要求不高。而今当0.5W以上高功率LED成为灯具光源的主流时，高功率带又来了高发热量。为了尽可能提高芯片的散热性能，研究人员不断在LED的芯片结构和材质上进行了很多改进。从最早用硅材料做为衬底到用蓝宝石材料最后到用碳化硅做衬底，其导热性能提高了近20倍，但是碳化硅的缺点是使用成本高。目前，很多生产企业考虑到成本核算，又开始采用硅材料作为基底，只不过在中间加一层氮化铝作缓冲。随着科技不断发展，现在主流的LED芯片基板主要以陶瓷基板和金属基板为主。陶瓷基板因高散热性，低膨胀系数等特性，能够减少因高热而产生的材料变型，同时材料的本身还具有耐热、耐潮、绝缘等优点，所以陶瓷基板成为高功率照明灯用LED芯片基板的最常用散热材料。陶瓷基板材质目前分为3大类：三氧化二铝、低温共烧陶瓷、氮化铝，低温共烧陶瓷多适用于以大尺寸高功率和小尺寸低功率产品为主LED产品，基本上外观大多呈现凹杯状，且可根据用户的需求制作出有导线架和没有导线架两种散热基板。而三氧化二铝则侧重用于1W～3W的LED灯具，这三类中以氮化铝的导热性最佳，适用于大功率半导体基片，在散热过程中自然冷却即可达到目的，同时还具有很好的机械强度、优良的电气性能。金属基板特别是金属铝基板具有很好的热传导系数，易加工、价格低廉，再加上量产良率的提升，目前日渐成为高功率LED散热基板采用材质的主流，但设计时要尽量将PCB靠近铝底座，从而减少灌封胶部分产生的热阻。所以必须充分了解LED模块各种材料之间热膨胀系数差异，降低造成的热应力，从而提高使用金属基板的可靠性。

在封装结构方面，常用的封装方式有引脚式封装、表面贴装封装、功率型封装引脚式封装方式是最普通的一种封装方式，有90%的热量是由负极引脚散发到电路板上，其散热的效果受限于导线的材质和几何型状，故散热能效备受限制。表面贴装封装方式，就是把芯片直接焊接在基板上，因此具有良好的连接性和散热性，热阻很小。虽然这种方式很好，但有它的局限性，就是芯片底部一定要有焊盘。功率型封装方式，这种封装方式适用于常规管芯高密度组合封装，其取光效率高并且热阻低，较好地保护管芯与键合引线。对于大多数LED灯具生产企业一般采用外购芯片，故需要设计人员要充分考虑和了解采购的芯片发热性能，分析成本及能效，以达到所需的最佳效果。

（2）系统电路散热

LED芯片通过焊接与系统电路板产生了链接，但是由芯片所产生的热能也同时传导给系统电路板，系统电路板的散热性能就显得更为重要，目前大都采用铝基板做为系统电路板。铝基板自上而下一般由电路层（铜箔层）、导热绝缘层和金属基层组成，电路层要求具有很大的载流能力，从而应使用较厚的铜箔。导热绝缘层是铝基板工艺中最关键的环节，它一般是由特种陶瓷粉末填充而合的聚合物构成（主要是环氧树脂），具有优良的热传导性、良好的绝缘强度和粘结性能，能够承受机械及热应力。若绝缘层使用的