LED散热计算公式详解.docx
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LED散热计算公式详解
LED散热计算公式详解..
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，其余的电能几乎都转换成热能，使LED的温度升高。
在大功率LED中，散热是个大问题。
例如，1个10W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150℃），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。
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125℃）就可以了。
但在大功率LED散热设计中，其结温TJ要求比125℃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。
K2系列白光LED的结温TJ与相对出光率的关系。
在TJ=25℃时，相对出光率为1；TJ=70℃时相对出光率降为0.9；TJ=115℃时，则降到0.8了。
：
TJ=50℃时，寿命为90000小时；TJ=80℃时，寿命降到34000小时；TJ=115℃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TJ≤TJmax。
大功率LED的散热路径.
大功率LED在结构设计上是十分重视散热的。
图2是Lumiled公司K2系列的内部结构、图3是NICHIA公司NCCW022的内部结构。
从这两图可以看出：
在管芯下面有一个尺寸较大的金属散热垫，它能使管芯的热量通过散热垫传到外面去。
大功率LED是焊在印制板（PCB）上的，如图4所示。
散热垫的底面与PCB的敷铜面焊在一起，以较大的敷铜层作散热面。
为提高散热效率，采用双层敷铜层的PCB，其正反面图形如图5所示。
这是一种最简单的散热结构。
热是从温度高处向温度低处散热。
大功率LED主要的散热路径是：
管芯→散热垫→印制板敷铜层→印制板→环境空气。
若LED的结温为TJ，环境空气的温度为TA,散热垫底部的温度为Tc（TJ＞Tc＞TA），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TJ传导到空气TA的总热阻RJA与各热阻关系为：
TJ=RJC×PD+TC=RJC（IF×VF）+TC
TJ=16℃/W（500mA×3.97V）
+71℃=103℃
2.RBA计算
RJA=（TC－TA）/PD
=（71℃－25℃）/1.99W
=23.1℃/W
3.RJA计算
RJA=RJC+RBA
=16℃/W+23.1℃/W
=39.1℃/W
如果设计的TJmax=90℃，则按上述条件计算出来的TJ不能满足设计要求，需要改换散热更好的PCB或增大散热面积，并再一次试验及计算，直到满足TJ≤TJmax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=9℃/W（IF=500mA时VF=3.65V），其他条件不变，TJ计算为：
TJ=9℃/W（500mA×3.65V）+71℃
=87.4℃
上式计算中71℃有一些误差，应焊上新的9℃/W的LED重新测TC（测出的值比71℃略小）。
这对计算影响不大。
采用了9℃/W的LED后不用改变PCB材质及面积，其TJ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"∪"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=103℃的PCB背后粘贴一个10℃/W的散热片，其TJ降到80℃左右。
这里要说明的是，上述TC是在室温条件下测得的（室温一般15～30℃）。
若LED灯使用的环境温度TA大于室温时，则实际的TJ要比在室温测量后计算的TJ要高，所以在设计时要考虑这个因素。
若测试时在恒温箱中进行，其温度调到使用时最高环境温度，为最佳。
再谈大功率散热问题的解决
大功率LED灯是否能正常工作,灯珠的质量好坏,与大功率LED的散热有直接关系.现在大功率LED灯散热都是采用自然散热.效果并不理想.LED大功率灯由LED;散热结构;驱动器;透镜组成.散热部分是一个很重要的部分.散热的好坏直接影响大功率LED灯的使用寿命和条件。
1.关于金属散热基板，目前有铝基板和铜基板，作为专业制造的金属基板的厂家，建议大家采用性价比高的铝基板。
铜基板与铝基板的价格相差很多，铜基板在热的传导性方面是比铝要好，但成本与重量比铝高得多了,建议用铝基板。
再则现在有些大功率LED厂家在大功率LED灯具上加一温控开关，并设定其温度值，当此处温度高于该值时就降低电流。
缺点是灯光会暗一些,但是影响不打，故该办法还是可行的
温度保护是必须的，产品不但需要同时也是对客户的负责。
那多少温度保护才合适呢？
计算下吧。
最高环境温度，夏天40℃，在夏日光暴晒50℃，50℃环境温度是实际的，参见一般大功率LED规格书结温度在120℃是可以承受的，芯片到铝基板的热阻，规格书一般推荐10-15℃，那LED基板要保证在120-15=105℃。
好，保留温差取50--105℃中间值77.5℃，一般电子元器件工作温度在85℃是可靠的，77℃是符合这个原则的。
建议77℃开始启动保护，85℃前大幅度的减低电流，90℃彻底完成产品温度保护功能。
一个值得回味的问题：
为何不在温度还没有升起来的时候就控制一个较小的电流？
这样使用户也不会觉得不适，同时温度又不会升得很快，甚至不会达到过高的温度。
我觉得降低电流来减少发热，同时又不降低亮度是不现实的。
这样就有了1W和3W大功率LED灯珠共体这种做法。
也就是所在大功率温度升到一定的高的时候把大功率从3W降到1W那样就不会让温度继续上升，有效控制了大功率LED的温度问题。
总的来说：
1.提高其发光效率。
现现高功率LED已达到50-70LM/W，发展的方向将达到140lm/W以致更高。
可以想象这将对热量问题从根本上改善。
2.加强散热。
这是目前情况下有效的解决手段。
我现在自已用的一个LED灯，用在床头照明用。
不过不是高功率型的。
是自已用白光LED做的。
一开始电流太大，总烧灯仔。
增加散热孔效果不很理想。
计算后发现其电流达到56mA（分两路，每路约28mA）。
后来重新计算了电流，更改元件，控制电流到15mA左右，热量有很大改观。
当然亮度也不一样。
我见过的方案是大功率路灯使用的，主要是使用铝基板，铜基板经济性差一点，不过可以增加铜导热管。
还有加风扇的，虽然风扇的寿命差一点，不过总比换LED划算，而且有两台风扇，采用温度保护，超温后逐渐开启2台风扇，然后还可以再在超温的同时关闭部分LED，以降低总功率，实际上和降低电流效果类似。
所谓大功率LED只是相对于以前的LED而言，实际功率并不是很大，一般只有1~2W。
在多的都是芯片叠加出来的，现在很多公司都在推出这种LED，你只要在电子工程专辑的网站上搜索一下LED，你会发现最近新推出的LED大都是大功率LED。
当LED的电流小于150mA是为小功率的LED（又叫LED）.当流过LED的电流大于150mA时称为功率LED（HBLED）.
也可以考虑热管导热,有液态单相和液态/气态两相。
如果功率大了，这种就一定要用。
CPU散热现在已经开始使用了。
LED散热也偶然见到有人用。
摘要：
考虑热导率与散热方式的影响，使用大型有限元软件ANSYSl0.0模拟并分析了大功率LED热分布。
通过分析不同封装、热沉材料及散热方式对LED热分布与最大散热能力的影响，指出解决LED散热问题的关键不是寻找高热导率的材料，而是改变LED的散热结构或者散热方式。
1引言
目前，很多功率型LED的驱动电流达到70mA、100mA甚至1A，这将会引起芯片内部热量*，导致发光波长漂移、出光效率下降、荧光粉加速老化以及使用寿命缩短等一系列问题。
业内已经对大功率LED的散热问题作出了很多的努力：
通过对芯片外延结构优化设计，使用表面粗化技术等提高芯片内外量子效率，减少无辐射复合产生的晶格振荡，从根本上减少散热组件负荷；通过优化封装结构、材料，选择以铝基为主的金属芯印刷电路板（MCPCB），使用陶瓷、复合金属基板等方法，加快热量从外延层向散热基板散发。
多数厂家还建议在高性能要求场合中使用散热片，依靠强对流散热等方法促进大功率LED散热。
尽管如此，单个LED产品目前也仅处于1～10W级的水平，散热能力仍亟待提高。
相当多的研究将精力集中于寻找高热导率热沉与封装材料，然而当LED功率达到lOW以上时，这种关注遇到了相当大的阻力。
即使施加了风冷强对流方式，牺牲了成本优势，也未能获得令人满意的变化。
讨论在现有结构、LED封装及热沉材料热导率等因素变化对于其最大功率的影响，寻找影响LED散热的关键因素。
研究方法为有限元热分析法．该方法已有实验验证了LED有限元模型与其真实器件之间的差别，证明其在误差许可范围内是准确可行的。
2建立模型
2．1有限元热分析理论
三维直角坐标系中的瞬态温度场场变量T（x，y，z，t）满足：
式中：
T/x，T/y，T/z为沿x，y，z方向的温度梯度；λxx,λyy，λzz为热导率；q0为单位体积的热生成；ρc是密度与比热容的乘积：
dT/dt为温度随时间的变化率。
式中：
Vx，Vy,Vz为媒介传导速率。
对于稳态热分析而言，T/t=0，式
（1）可化简为：
根据式（3）、边界条件与初始条件，利用迭代法或者消去法求解，得出热分析结果。
2．2几何模型的建立
图1为依据常见1w大功率LED尺寸建立并简化、海鸥翼封装铝热沉的大功率LED图形，底座接在MCPCB铝基板上。
主要数据：
芯片尺寸为1mm×1mm×O.25mm，透镜为直径是13mm的半球。
硅衬底为边长17mm，高0.25mm的正六棱柱，MCPCB为直径20mm，高1.75mm的六角星形铝质基板。
2．3有限元模型的建立
模型采用ANSYSl0.0计算，为方便分析，假设模型：
LED输入功率为1W，光效率取10％；封装体外部的各组件（包括MCPCB、陶瓷封装、热沉的外部）通过与空气的对流散热；器件与外界的热对流系数为20。
工作环境温度为25℃；器件满足使用ANSYS软件进行稳态有限元热分析的条件；最大结温选择为125℃。
各种材料的参数如表1所示。
3分析各种因素对于散热能力的影响
3.1热辐射系数对LED散热的影响
图2为表面黑度为0.8时的温度云图。
根据斯蒂芬-玻耳兹曼定律，辐照度j*与温度T之间的关系：
j*=εσT4。
其中ε为黑体的辐射系数；σ=5.67×10-8w／（m2·k4），称为斯蒂芬-玻耳兹曼常数。
因此可知，温度越高，辐照度越大。
当输入功率为1W时，经由表面辐射散出的热能为7.63×10－4W，仅占总热功率的1.63‰；功率达到2W时，经辐射散出的热能也仅占6.33‰。
因此改变热辐射系数对于提高散热能力改善成效不大，散热的关键在于提高另外两种散热方式：
热传递和热对流。
尽管如此，仍有一些厂家将LED器件的外表面涂成黑色，以期最大限度地利用辐射散热。
3．2热导率对LED的散热的影响
只考虑热传导与对流，改变不同封装填充材料如硅树脂．得出结果，如图3所示。
即使找到一种热导率高达7Wm-1K-1的环氧树脂成分封装材料时，相比使用热导率为0.25Wm-1K-1的环氧树脂成分封装材料时，芯片温度下降不多，铝基板温度只下降了2.271℃，最大功率仅提高了0.69W。
实际上，热导率值超过7Wm-1K-1以上、可商业化的透明硅树脂封装材料目前尚无文献报导。
分布云图如图4所示。
表2给出透镜热导率为0.2Wm-1K-1时，不同热沉材料的导热系数对于LED最大功率影响。
由表2看出，热沉材料对于LED的最大散热能力的影响很小。
综上所述，热导率变化对LED最大功率影响微弱。
3．3增加散热面积对LED散热的影响
表3为3种不同散热方式对LED的温度分布、最大功率的影响。
可以看出，增加散热面积是很好的散热方式，可以轻易地提高LED器件散热能力，这是目前LED产品所普遍使用的散热方式之一。
然而缺点也很明显：
影响成本、增加产品重量、影响封装密度。
无限度地提高LED散热片面积显然不现实，因此一般使用1.5inch2散热片提升LED产品最大功率至10W左右，出于成本等因素就不能继续提高。
3．4对流方式对LED散热的影响
常见对流散热方式有两种：
自然对流和强制对流。
固定结构的散热与表面传热系数有关。
空冷方式时，不同传热系数对最大功率的影响如图5所示。
强对流方式在一定速度内会大大提高LED产品的散热能力，有助于提高散热效果。
综上所述，无论是增加散热面积还是增加对流速度都不能无限制地提高散热能力，其原因在于：
当散热结构、方式固定后，即使LED导热率有所上升，也无法真正大幅度降低芯片温度；事实证明增加散热面积，可以促进散热。
但由于成本限制，且不可能无限制地增加散热面积，因此，要提升LED产品的散热能力，关键要在最大努力增加散热面积时，寻找一种可以快速将上表面热量带走的散热方式。
4结语
利用ANSYS软件对大功率LED进行三维有限元热分析，并绘制了其受不同因素影响时器件的温度云图，通过比较各种因素对散热性能的影响，得出结论：
在经过必要的选材优化后，对于材料热导率的追求只是对提高LED散热能力细枝末节地修改，想要大幅度地提高LED的散热能力，关键是增加散热面积与改变散热方式。
解决LED大功率散热问题
随着LED照明的需求日趋迫切，高功率LED的散热问题益发受到重视，因为过高的温度会导致LED发光效率衰减；LED运作所产生的废热若无法有效散出，则会直接对LED的寿命造成致命性的影响，因此，近年来高功率LED散热问题的解决成为许多相关业者的研发标的。
对于大功率照明LED散热技术，各家公司可说是各显神通，例如台湾的光海科技便发展出‘COHS封装散热技术’，光海科技是利用本身载板设计能力的优势，将LED直接封装在高导热性的铜基座上，铜的高导热性就如同散热器的角色，再加上以电路设计及自有工艺克服绝缘膜与铜材质间的附着性问题，便发展出所谓的COHS技术（ChipsOnHeatSink），并已拥有47项COHS相关专利。
COHS散热技术前景可期
光海科技表示，该公司的‘COHS散热技术’有别于传统COB封装方式，省去了芯片与基座间不必要的热阻材，且采用比铝的导热性更佳的铜做为基板，而针对60W以上的灯芯模块，更加入了均温板的概念，能将热能更快速地传导开来。
整体而言，此技术的优点包括模块热阻低、容易控制结面温度、可提供量测结面温度的测试点、具低成本包装的结构、安装简易、散热效果佳等等。
目前光海科技的产品已实际应用在山东省庆云县的LED路灯工程、北京市大兴区LED路灯工程及各式室内、室外照明等。
在日前于韩国产业技术大学中举办的新产品测试中，光海科技120瓦（W）模块的电极温度约为摄氏70度，其他公司60瓦等级模块的电极温度却高达摄氏150度，后者的功率未及光海产品一半，电极温度却高出许多，足见光海散热技术的优势。
据了解，为求进军韩国市场，光海科技将投资1,000万美元于南韩京畿道建设产线。
COHS散热技术是采用铜基板，目前另一颇受注目的散热技术则是采用陶瓷基板，由陶瓷基板的成本颇具竞争力，且具有与半导体有接近的热膨胀系数与高耐热能力，能有效地解决热歪斜及高温工艺问题，因此。
现阶段许多公司纷纷投入陶瓷基板技术的研发，例如同欣电子。
陶瓷基板散热
同欣电子总经理刘焕林便表示，LED陶瓷基板将是同欣电子未来的主要成长动能。
该公司的产品为DPC陶瓷基板。
现阶段较普遍的陶瓷散热基板种类共有HTCC、LTCC、DBC、DPC四种，其中，DPC（DirectPlateCopper）是将陶瓷基板利用真空溅镀镀上铜层，再利用显影工艺制造线路，其工艺结合材料与薄膜工艺技术，为近年最普遍使用的陶瓷散热基板。
基本上，LED散热基板主要分为金属与陶瓷基板。
金属基板以铝或铜为材料，由于技术成熟，且具成本优势，目前为一般LED产品所采用。
而陶瓷基板线路对位精确度高，为业界公认导热与散热性能极佳材料，是目前高功率LED散热最适方案，虽然成本比金属基板来得高，但照明要求的散热性及稳定性高于笔记本电脑、电视等电子产品，因此，包括Cree、欧司朗、飞利浦及日亚化等国际大厂，都使用陶瓷基板作为LED晶粒散热材质。
比较各种陶瓷散热技术，其中，HTCC（高温共烧多层陶瓷基板）属于较早期发展之技术，但由于其较高的工艺温度（1300到1600℃），使其电极材料的选择受限，且制作成本相当昂贵，目前渐渐被LTCC取代。
此外，DPC陶瓷基板导热效果又优于低温陶瓷共烧（LTCC）与散热铝基板，因此DPC陶瓷基板散热技术近年颇受看好，同欣电子表示，该公司目前陶瓷基板仍供不应求，产能方面莺歌厂月产能30万片（每片为4吋×4吋，每片颗数为440到890颗（视设计而定），菲律宾厂月产能10万片，近期将有5万片新产能加入，整体而言，由于LED取代传统照明为未来趋势，因此同欣电子将长期获益自此一应用。
被动组件业者顺势跨入
看好陶瓷基板在LED散热的应用，大毅除被动组件与保护组件的制造外，于2010年更进一步投入LED散热基板市场；制造高功率LED散热基板，该公司是利用目前既有的专业保护组件黄光微影薄膜工艺以及精密电铸技术能力，加上由该公司自行研发的雷射切割凿孔设备，导入氧化铝以及氮化铝作为散热基板材料，纳入生产工艺开始进行量产，可满足LED产品封装的设计与散热需求。
大毅科技董事长江财宝表示，由于LED陶瓷散热基板的工艺与大毅现有的保护组件产品工艺相仿，并且在材料与设备上更是有许多相同之处，因此能利用原本保护组件使用的陶瓷基板工艺共通性，制造出高功率LED散热用陶瓷基板产品。
他并指出，大毅科技推出的高功率散热基板已送各LED封装大厂认证，且将积极针对LED散热基板产品进行三大领域布局，一为晶粒封装市场，锁定亿光等LED封装大厂客户；其次为LED照明基板，第三为LED背光源基板。
目前大毅在前两项领域已开始小量出货。
同样是从保护组件跨入LED散热基板的业者还有瑷司柏电子，该公司总经理庄弘毅表示，瑷司柏电子是由保护组件起家，成立于2009年6月，目前营运项目以精密陶瓷之线路设计为主、而主要工艺有薄膜散热基板、黄光微影等技术等。
庄弘毅表示，海内外大厂为节省LED组件空间并兼顾线路保护的功能，多希望将保护组件直接建立陶瓷基板中，而不需要再额外添加保护组件，如防静电的二极管，而瑷司柏目前所研发的新产品，便是在线路设计时将保护组件放入，如此就不需额外置入，可大幅节省成本，且此种技术可将体积缩小，减少20％~30％的空间。
此外，瑷司柏自行开发的多层导通孔结构增加了热传导的路径，可降低LED晶粒与陶瓷散热基板的热阻，更能有效提升LED发光效率。
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