译介社 | LED学院 Lesson 10：LED热学 • 被动散热系统设计
LED学院 Lesson 10：LED 热学 • 散热系统3. LED 热学
3.6 散热系统
过多热量会直接影响LED光源的短期和长期性能。
• 短期：色漂、光输出减少• 长期：光衰加速，寿命缩短
人们通常采用自然（被动）及人工（主动）散热系统来散热。（见图3.6.1）
被动散热
“被动”的意思是此种系统不含耗能的机械设备如热泵、风机或风扇等。LED灯具中最常见的被动散热设备就是散热片。通常来说，散热片由很多组金属扇片组成，能够将LED光源里积聚的热量快速传导出去。由于散热片本身不消耗能量，因此是最节能的散热系统。不过随着LED光源功率的提高，要求散热面积越来越大，这就需要设计形状复杂的散热片，反倒给灯具设计带来不利的影响。
主动散热
“主动”的意思是这种散热系统中含有耗能的机械设备如泵、风机或风扇等。对于使用大功率高光通封装LED光源的小型灯具来说主动式散热系统是必须的，因为这样能使灯具结构和体型更小。
图3.6.1 被动散热（a.使用散热片的LED灯具）和主动散热（b、使用散热片和风扇的LED灯具）3.7 被动散热系统设计LED灯具中最常见的是被动式散热系统，做这种系统设计时必须考虑几项主要因素比如LED光源的布局、灯具材质的属性、散热片的形状及表面处理，以及下文中描述的其它因素。
LED布局间距
LED消耗的大部分电能转化为热量散发出来，LED颗粒布局越紧密，散热空间越少，结点温度越高。所以LED颗粒应当在封装及光学特性容许的条件下间距越大越好。（见图3.7.1）
图3.7.1 LED布局间距示例
材料属性
导热率是用来衡量热传导效率的物理量，材料的导热率反映了材料的热传导能力。某些材料相比其它材料来说是热的良导体（如表3.7.2）。比如说，纯铜的导热率为400W/m.K，而空气的导热率仅为0.025。
铝是制作散热片的常见材料，不仅仅因为其性价比高，还由于铝材容易加工、压铸、挤压。散热片的另外一项更要特性是几何形状，而铝型材易于加工成型。除此之外，铝材还有诸如重量轻、耐腐蚀、稳定性好等优势。综合来说，铝都是制作散热片的极佳材料。
表3.7.2 材料的导热率
形状
对流是通过气体或液体的流动，从物体表面带走热量的流体过程。表面积越大，对流发生的越多。一个例子就是散热片，之所以设计成目前的形状就是为了最大化对流的表面积。这种多叶片的结构能够在体积不变的情况下大大增加表面积。（图3.7.3）
图3.7.3 鳍片形灯体
表面处理
辐射系数是反映物体表面辐射释放能量的相对能力的物理量，通常写作ε或是e。其定义是在同一温度下，某种材料表面辐射能量和标准黑体所辐射能量的比值。理想黑体的ε=1，而真实的材料ε<1。
高辐射系数涂料能够提高热交换的速率，通常来说，表面颜色越深、越黑，辐射系数越接近于1。材料的反射率越高，辐射系数越接近于0。
印刷电路板（PCB）
LED安装在多层FR4或是金属印刷电路板（MCPCB）上。为获得最佳性能，PCB的热阻应当越低越好。
FR4电路板（FR4 PCB）
FR4是制作PCB的标准材料。每块PCB板上安装的LED颗粒数量决定于LED输入功率及边界条件等。PCB板上的热量通过散热孔传到冷却系统上去，这些散热孔为电镀通孔（PTH），可以打通、可以堵上也可以封闭。最终整块电路板的热阻是由板上散热孔的数量和密度、铜板层的厚度以及电镀通孔的镀层厚度所决定的。
金属电路板（MCPCB）
图3.7.4展示了MCPCB的结构，一块MCPCB板包括铜基板、绝缘层及散热板，铝或铜片。增加铜基板厚度或者减薄绝缘层厚度都能大大降低热阻。图3.7.5展示了真实的FR4电路板和金属电路板的样子。
图3.7.4 金属电路板（MCPCB）截面图（注：非同比放大）
图3.7.5 FR4 PCB（a）和MCPCB（b）
粗糙程度
把散热片同封装LED连接时要求两部分的表面尽可能地充分接触。不幸的是，无论如何精良的处理，固体表面都不可能是完全平滑的。由于微观结构的凹凸不平，所有的表面都有一定的粗糙度。这些小突起、小凹洞或扭曲形状的存在，叠加起来形成粗糙的肉眼可见的不平整表面。当两块这样的表面接触时，实际上只有两个面上的小突起在互相接触，小的凹洞之间仍然是分离的，形成空气间隙。
热界面材料
热界面材料（TIMs）又称为热传导材料，用来增加接合的固体表面——比如PCB板和散热片——之间的热传导系数以提高散热效率。因为如果不填充，两种机械接合的材料表面之间充满空气的空隙会是热的不良导体（见图3.7.6）。
图3.7.6 两个表面之间的空隙：a）未填充的空隙；b）TIMs材料填充
最常见的热界面材料是白色胶或者导热胶，最常见的是导热硅脂，里面掺了氧化铝、氧化锌或是氮化硼，某些牌子的热界面材料会使用精细研磨过的银粉。另外一大类热界面材料是相变材料，这类材料在室温下是固态，在芯片工作温度下会液化呈油脂状。
生产工艺
最常见的利用自然对流的技术就是在封装外壳的顶部和底部各打几个洞，让气流可以上下贯通，给LED散热。对比压铸和挤压两种工艺，挤压法处理过的铝型材密度会更大（让散热片内部的气泡更少）（见图3.7.7）。由于空气和铝的导热率差距是如此之大，所以一点点的空气残留都会导致材料的导热率大大改变。压铸铝散热片的导热性平均比同样体积和形状的挤压铝散热片低20-30%。
图3.7.7 挤压法加工的散热片
外壳设计及安装方法
设计LED外壳时也要考虑留好从PCB背板到外壳之间的热传导通路。通常做法都是直接把PCB板的背面安装到LED外壳上，让两者最大面积地接触（见图3.7.8）。
图3.7.8 安装方式
这种安装方式的改进方案就是在PCB板和外壳之间加一块导热板，导热板可以和PCB板更好地贴合，增大热传导的接触面积。
同样，最常见的利用自然对流的技术就是在封装外壳的顶部和底部各打几个洞，让气流可以上下贯通，给LED散热。
3.6 散热系统
过多热量会直接影响LED光源的短期和长期性能。
• 短期：色漂、光输出减少• 长期：光衰加速，寿命缩短
人们通常采用自然（被动）及人工（主动）散热系统来散热。（见图3.6.1）
被动散热
“被动”的意思是此种系统不含耗能的机械设备如热泵、风机或风扇等。LED灯具中最常见的被动散热设备就是散热片。通常来说，散热片由很多组金属扇片组成，能够将LED光源里积聚的热量快速传导出去。由于散热片本身不消耗能量，因此是最节能的散热系统。不过随着LED光源功率的提高，要求散热面积越来越大，这就需要设计形状复杂的散热片，反倒给灯具设计带来不利的影响。
主动散热
“主动”的意思是这种散热系统中含有耗能的机械设备如泵、风机或风扇等。对于使用大功率高光通封装LED光源的小型灯具来说主动式散热系统是必须的，因为这样能使灯具结构和体型更小。
图3.6.1 被动散热（a.使用散热片的LED灯具）和主动散热（b、使用散热片和风扇的LED灯具）3.7 被动散热系统设计LED灯具中最常见的是被动式散热系统，做这种系统设计时必须考虑几项主要因素比如LED光源的布局、灯具材质的属性、散热片的形状及表面处理，以及下文中描述的其它因素。LED布局间距
LED消耗的大部分电能转化为热量散发出来，LED颗粒布局越紧密，散热空间越少，结点温度越高。所以LED颗粒应当在封装及光学特性容许的条件下间距越大越好。（见图3.7.1）
图3.7.1 LED布局间距示例材料属性
导热率是用来衡量热传导效率的物理量，材料的导热率反映了材料的热传导能力。某些材料相比其它材料来说是热的良导体（如表3.7.2）。比如说，纯铜的导热率为400W/m.K，而空气的导热率仅为0.025。
铝是制作散热片的常见材料，不仅仅因为其性价比高，还由于铝材容易加工、压铸、挤压。散热片的另外一项更要特性是几何形状，而铝型材易于加工成型。除此之外，铝材还有诸如重量轻、耐腐蚀、稳定性好等优势。综合来说，铝都是制作散热片的极佳材料。
表3.7.2 材料的导热率形状
对流是通过气体或液体的流动，从物体表面带走热量的流体过程。表面积越大，对流发生的越多。一个例子就是散热片，之所以设计成目前的形状就是为了最大化对流的表面积。这种多叶片的结构能够在体积不变的情况下大大增加表面积。（图3.7.3）
图3.7.3 鳍片形灯体表面处理
辐射系数是反映物体表面辐射释放能量的相对能力的物理量，通常写作ε或是e。其定义是在同一温度下，某种材料表面辐射能量和标准黑体所辐射能量的比值。理想黑体的ε=1，而真实的材料ε<1。
高辐射系数涂料能够提高热交换的速率，通常来说，表面颜色越深、越黑，辐射系数越接近于1。材料的反射率越高，辐射系数越接近于0。
印刷电路板（PCB）
LED安装在多层FR4或是金属印刷电路板（MCPCB）上。为获得最佳性能，PCB的热阻应当越低越好。
FR4电路板（FR4 PCB）
FR4是制作PCB的标准材料。每块PCB板上安装的LED颗粒数量决定于LED输入功率及边界条件等。PCB板上的热量通过散热孔传到冷却系统上去，这些散热孔为电镀通孔（PTH），可以打通、可以堵上也可以封闭。最终整块电路板的热阻是由板上散热孔的数量和密度、铜板层的厚度以及电镀通孔的镀层厚度所决定的。
金属电路板（MCPCB）
图3.7.4展示了MCPCB的结构，一块MCPCB板包括铜基板、绝缘层及散热板，铝或铜片。增加铜基板厚度或者减薄绝缘层厚度都能大大降低热阻。图3.7.5展示了真实的FR4电路板和金属电路板的样子。
图3.7.4 金属电路板（MCPCB）截面图（注：非同比放大）
图3.7.5 FR4 PCB（a）和MCPCB（b）粗糙程度
把散热片同封装LED连接时要求两部分的表面尽可能地充分接触。不幸的是，无论如何精良的处理，固体表面都不可能是完全平滑的。由于微观结构的凹凸不平，所有的表面都有一定的粗糙度。这些小突起、小凹洞或扭曲形状的存在，叠加起来形成粗糙的肉眼可见的不平整表面。当两块这样的表面接触时，实际上只有两个面上的小突起在互相接触，小的凹洞之间仍然是分离的，形成空气间隙。
热界面材料
热界面材料（TIMs）又称为热传导材料，用来增加接合的固体表面——比如PCB板和散热片——之间的热传导系数以提高散热效率。因为如果不填充，两种机械接合的材料表面之间充满空气的空隙会是热的不良导体（见图3.7.6）。
图3.7.6 两个表面之间的空隙：a）未填充的空隙；b）TIMs材料填充最常见的热界面材料是白色胶或者导热胶，最常见的是导热硅脂，里面掺了氧化铝、氧化锌或是氮化硼，某些牌子的热界面材料会使用精细研磨过的银粉。另外一大类热界面材料是相变材料，这类材料在室温下是固态，在芯片工作温度下会液化呈油脂状。
生产工艺
最常见的利用自然对流的技术就是在封装外壳的顶部和底部各打几个洞，让气流可以上下贯通，给LED散热。对比压铸和挤压两种工艺，挤压法处理过的铝型材密度会更大（让散热片内部的气泡更少）（见图3.7.7）。由于空气和铝的导热率差距是如此之大，所以一点点的空气残留都会导致材料的导热率大大改变。压铸铝散热片的导热性平均比同样体积和形状的挤压铝散热片低20-30%。
图3.7.7 挤压法加工的散热片外壳设计及安装方法
设计LED外壳时也要考虑留好从PCB背板到外壳之间的热传导通路。通常做法都是直接把PCB板的背面安装到LED外壳上，让两者最大面积地接触（见图3.7.8）。
图3.7.8 安装方式这种安装方式的改进方案就是在PCB板和外壳之间加一块导热板，导热板可以和PCB板更好地贴合，增大热传导的接触面积。
同样，最常见的利用自然对流的技术就是在封装外壳的顶部和底部各打几个洞，让气流可以上下贯通，给LED散热。
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