浅谈大功率LED导热散热解决方案

1.LED导热散热过程

大功率LED →
锡膏
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金属基板
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导热硅子
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散热器
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风扇，完成一个导热散热过程，哪一环节导热散热处理不好，都会影响到LED使用（见下图1）。

图1 导热散热过程图

2.大功率LED发热影响

随着LED向小型化和大功率方向发展，这种趋势导致在有限体积内产生更多的热量，若散热不及时，过多积聚的热量将导致大功率LED工作温度升高，影响大功率LED的正常工作，严重时甚至会使大功率LED失效。大功率LED的发光效率为15%-25%之间，其中75%-85%转变为热量， LED结温升高，其发光效率下降、使用寿命缩短（见下表2）。可见温度是影响大功率LED可靠性最重要的因素之一，这就需要在技术上采取措施限制大功率LED的温度升高。

3.导热金属基板在大功率LED应用

3.1超高导热铝、铜基板

超高导热铝、铜基板是通过超高导热绝缘层来将LED热量导到铝或铜基板上，导热系数分别是：2-12W/mk，因超高导热绝缘层是由树脂+氮化铝或氧化铝或氮化硼和其它填料配合组合而成，例：其中氮化硼导热系数是：200W/mk，但是氮化硼添加量不能超过40%，添加量超过40%时过高温会出现基板分层不良，使得超高导热铝、铜基板导热只有2-12W/mk，只能应用到中功率LED中做导热第一承载体使用。

图3 铝、铜基板结构图

3.2 热电分离铝基板

热电分离铝基板导热系数达到：200 W/mk，属于金属直接导热，热电分离铝基板制作是使用线路板蚀刻+层积叠压方式完成，线路层仍能保持电绝缘性，可以应该用到大功率LED中做导热第一承载体使用。

图4 热电分离铝基板结构图

3.3 热电分离铜基板

热电分离铜基板导热系数达到：400 W/mk，属于金属直接导热，热电分离铝基板制作是使用线路板蚀刻+层积叠压方式完成，线路层仍能保持电绝缘性，可以应该用到大功率LED中做导热第一承载体使用。

图5 热电分离铜基板结构图

4.大功率LED焊接应用

大功率LED传递热量通过锡传递到金属基板上，金属基板做好了，焊接没有做好，同样存在导热不及时情况，目前LED焊接有普通回流焊和真空回流焊2种，普通回流焊是没有抽真空装制，真空回流焊是有抽真空装制，焊接中熔融焊料会残留气体，当融化的焊料凝固时，这些气泡被冻结下来形成空洞现象。真空回流焊增加了抽真空装制后，焊接中熔融时可以将残留气体抽出，焊接后不会形成大面积空洞，反观普通回流焊是没有抽真空装制，焊接中熔融时残留的气体没有抽出，焊接后会形成大面积空洞。有空洞的影响会导致导热面积减小，就好比水管放水时，如果水管堵住20%，水的流速就会减小20%，同样原因，当焊接面有20%的空洞，热量流速也会减小20%。大功率LED本身发热量大，导热面积再减小就会影响到LED散热。

我们有拿大功率LED做普通回流焊和真空回流焊Tj温度比对测试过，普通回流焊LED会比真空回流焊Tj温度高10℃，对超大功率LED Tj温度会更加明显。可以确定真空回流焊对LED导热有大的帮助，汽车前大灯都是需要使用真空回流焊进行焊接，真空回流焊焊接后品质稳定，空洞率可以做到1%以内。

图6 普通回流焊和真空回流焊Tj温度比对测试图

5.LED导热界面材料

金属基板与散热器结合无法完全贴合中间有间隙,导热界面材料主要是填充金属基板与散热器表面之间的空隙，从而在发热部件和相连散热片之间建立有效的导热路径，因此大大提高了热传递效率，空隙越小越好，相应的导热材料越薄，热阻越小，导热更快，根据LED功率不同进行验证选择界面导热材料，导热填缝材料具有固体和液体两种形状。

图7 间隙图

5.1 液体导热材料

液体导热材料主要是：导热硅脂，是一种由硅树脂和高导热性无机或金属纳米材料组成的复合材料。导热硅脂黏度更低，适合点胶或丝网印刷，形成较薄的导热层，使之具有较高的导热性能，导热硅脂导热系数是：2-8W/m.k。

5.2固体导热材料

固体导热材料主要是：导热垫，也是一种由硅树脂和高导热性无机或金属纳米材料组成的复合材料。导热垫简单易用，低渗油性不会污染部件。导热系数是：2-8W/m.k，厚度由0.05-5mm，空隙越小使用的厚度可以越薄，热阻相应的越小，热传递更快。

6.散热器

散热器分别是：冲压、挤型、锻造、铜铝结合、热管模组、水冷板等工艺散热器。低功率LED选用冲压、挤型散热器，大功率LED选择锻造、铜铝结合、热管模组、水冷板散热器。

7.风扇

由于被动散热器受制于有限的换热能力，单位时间内能带走的热量很有限，使得用来冷却大功LED模组的散热器不得不做昨很大很重。而主动散热可以克服这些缺点，通过强制对流换热的高效散热能力快速带走热量，降低LED芯片的温度，并且同时减小了散热器的体积及重量，则会选择风冷进行主动散热。

结束语

当今，全球经济和科学技术飞速发展，LED领域也有着重大进展。随着LED功率越来越大，散热问题成为影响其使用的重要限制因素。更好的解决大功率LED散热问题，先要将大功率LED热量导出开始，只有先设计合理的导热结构，如真空回流焊、热电分离铜基板、基板与散热器空隙越小将热量先快速导到散热器上，到设计好合理散热器，再考虑被散热还是主动散热才能合理的将大功率LED热导出来。

本文由东莞市康纳电子科技有限公司刘岳峰投稿。