夏琦　李芳

摘 要：針對發(fā)光二極管如火如荼的應(yīng)用，文章重點(diǎn)分析了發(fā)光二極管熱傳導(dǎo)的路徑，對比測試了不同基板電路下發(fā)光二極管光通量的變化，提出了利于發(fā)光二極管散熱的電路設(shè)計(jì)原則。

關(guān)鍵詞：發(fā)光二極管；電路；散熱；光通量

1 引言

1962年，美國人霍洛尼亞柯制成了世界上第一個(gè)發(fā)光二極管（LED）。隨著光效的不斷提升、成本的大幅下降和應(yīng)用技術(shù)的成熟，LED得到越來越廣泛的應(yīng)用，在顯示、指示、景觀、照明、通訊等方面大量使用。

LED突出的一大優(yōu)勢在于長壽命。LED的理論壽命可達(dá)10萬小時(shí)，但實(shí)際使用壽命僅幾萬小時(shí)，甚至幾千小時(shí)。除LED自身品質(zhì)外，影響LED實(shí)際壽命的主要因素是驅(qū)動(dòng)電流、散熱能力和環(huán)境條件 [1]，而散熱能力主要取決于熱阻、有效散熱面積。

具體到LED照明燈具，其部件主要為LED光源、LED驅(qū)動(dòng)、LED基板、散熱器、界面材料和結(jié)構(gòu)件。其中LED基板是連接LED光源和LED驅(qū)動(dòng)的電學(xué)中介，也是連接LED光源和散熱器的熱學(xué)中介。近年，出現(xiàn)了鏡面金屬基板上直接進(jìn)行LED封裝的COB技術(shù)，它將LED光源和LED基板融合為COB光源，得到了長足發(fā)展、并逐步成熟，但獨(dú)立LED基板依然以大幅優(yōu)勢廣泛存在于LED燈具中。研究LED基板對LED散熱影響的現(xiàn)實(shí)意義仍然存在。

LED基板包括覆銅層（電路層）、介電層和基材層（有鋁、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等品種）?；咫娐吩O(shè)計(jì)主要就是針對覆銅層進(jìn)行平面形狀設(shè)計(jì)，以滿足電氣需要。但是基板電路還是一個(gè)熱學(xué)中介，普通LED燈具熱傳導(dǎo)路徑如下圖[2]。

圖中LED基板為鋁基板，包括基板電路層（覆銅層）、介電層和鋁層。提高這三層的導(dǎo)熱能力，無疑會減小熱阻，提高LED壽命。盡管基板電路層具有高導(dǎo)熱性能，但它畢竟是熱傳導(dǎo)路徑的一分子，對LED散熱和光通量維持率一定有所影響，有研究的必要。

LED基板電路層分為導(dǎo)電銅箔和導(dǎo)熱銅箔；在滿足電氣要求狀況下，導(dǎo)熱銅箔的設(shè)計(jì)有比較大的自由空間，但無外乎要考慮其形狀和面積。由于銅箔得導(dǎo)熱性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于各類導(dǎo)熱膠（膏或脂類）和鋁質(zhì)熱沉，其形狀對散熱和光通量維持率的影響很小，重點(diǎn)考慮面積因素。

2 不同電路設(shè)計(jì)下LED光通量的測量

為測量不同電路設(shè)計(jì)對光通量維持率的影響，我們設(shè)計(jì)了兩款鋁基板，如下圖。

左款鋁基板同右款鋁基板的材質(zhì)和外尺寸、導(dǎo)電銅箔（圖中1、2）尺寸和位置完全相同，左款的導(dǎo)熱銅箔（圖中0）做到了最大化，右款的導(dǎo)熱銅箔（圖中0）做到了最小化（同普通1W大功率LED的導(dǎo)熱底部大小相同）。我們用三點(diǎn)熔錫的方式（上圖中1、2、0三點(diǎn)）將某公司同批次零散的白光1W LED焊接于鋁基板上，再用相同的導(dǎo)熱硅脂將鋁基板分別固定于相同的散熱器上，最后用LED驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮串聯(lián)的LED光源。我們通過測量了不同時(shí)間下的LED光通量，如下兩個(gè)表。

3 基板電路設(shè)計(jì)對光通量的影響

為直觀體現(xiàn)基板電路設(shè)計(jì)對LED光通量的影響，截取表1、表2數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計(jì)匯總結(jié)果見表3。

從表3可以明顯看出，左款基板的18000h光通量維持率較高，高出約10%。也就是大面積導(dǎo)熱銅箔的基板設(shè)計(jì)具有更強(qiáng)的散熱能力。

4 基板導(dǎo)熱性能對光通量的影響

為直觀體現(xiàn)基板導(dǎo)熱性能對LED光通量維持率的影響，截取表3數(shù)據(jù)并作分析，結(jié)果見表4。

從表4可以明顯看出，大面積導(dǎo)熱銅箔基板設(shè)計(jì)的優(yōu)越性明顯，但應(yīng)用在導(dǎo)熱性能低的基板上優(yōu)越性更為突出。也就是導(dǎo)熱性能低的基板（如酚醛基板、環(huán)氧基板）上采用大面積導(dǎo)熱銅箔設(shè)計(jì)的必要性更為重大。

市場上還有很多沒有熱沉的LED品種，如直插LED、3528等，他們的熱量主要靠電極傳導(dǎo)，對應(yīng)基板上的銅箔導(dǎo)熱也導(dǎo)電。此類基板的導(dǎo)熱銅箔和導(dǎo)電銅箔合二為一，在電路設(shè)計(jì)上依然要增大面積來明顯提高光通量維持率，而且效果顯著。

5 結(jié)語

基板作為LED和散熱器之間的導(dǎo)電通道和導(dǎo)熱通道，其作用不容忽視?；咫娐吩O(shè)計(jì)影響LED光通量維持率，采用大面積導(dǎo)熱銅箔設(shè)計(jì)有利于明顯提高光通量維持率，尤其在應(yīng)用低導(dǎo)熱性能的基板和無熱沉LED時(shí)。

參考文獻(xiàn)

[1]鐘曉智；LED照明燈具壽命影響因素的研究；科技與企業(yè)；2014年第24期

[2]技術(shù)中心；淺談LED光源產(chǎn)品中的熱設(shè)計(jì)；艾比森電子期刊；2013年第46期