高功率LED過(guò)熱會(huì)對(duì)芯片的使用壽命產(chǎn)生巨大影響。因此，此類(lèi)芯片的制造商建議采用熱管理技術(shù)將器件的工作溫度保持在建議的最大值以下。

一種技術(shù)是將大體積的鋁制或銅制散熱器連接到照明組件，但這會(huì)增加顯著的費(fèi)用和重量并占用空間。修改安裝LED的印刷電路板(pcb)可以改善熱管理，從而可以使用更小和更便宜的散熱器(甚至可以消除低于5 W的LED)。

LED封裝熱阻

將LED的結(jié)溫從75°C加倍到150°C可將其壽命縮短70%以上(圖1：曲線(xiàn)族代表不同的環(huán)境溫度，Tair)。更糟糕的是，在給定的正向電壓和正向電流下，升高的溫度會(huì)降低器件的光輸出。

圖1：隨著結(jié)溫的升高，大功率LED壽命降低。 (禮貌：Cree。)

LED照明工程師必須考慮熱管理策略。添加散熱器會(huì)有所幫助，但設(shè)計(jì)人員應(yīng)首先考慮對(duì)PCB進(jìn)行相對(duì)便宜的修改以改善散熱。

LED結(jié)溫可以使用以下公式計(jì)算：

Tj = Tair +(Rth ja x Pd)

其中：

Tj =結(jié)溫(°C);

Tair =環(huán)境溫度溫度(°C);

Rth j-air = LED結(jié)與環(huán)境之間的熱阻(°C/W);

Pd = LED消耗的功率=正向電壓(Vf)x正向電流(If) (V x A)。

該公式表明，對(duì)于在給定環(huán)境溫度下運(yùn)行的設(shè)備，降低熱阻會(huì)降低溫度。簡(jiǎn)單地說(shuō)，通過(guò)提供散熱的路徑，芯片可以保持冷卻。

LED照明組件的熱阻是從結(jié)點(diǎn)到外界的熱路徑中不同材料的熱阻之和。讓我們假設(shè)一個(gè)單獨(dú)的散熱器不是設(shè)計(jì)的一部分;相反，PCB將成為唯一的熱量損失設(shè)備。

因此，組件的總熱阻為：

Rth j-air = Rth j-sp + Rth sp-pcb

其中：

Rth j-sp = LED結(jié)點(diǎn)與之間的熱阻PCB上的LED安裝焊盤(pán);

Rth sp-pcb =焊盤(pán)與PCB底面之間的熱阻。

Rth j-sp由制造商提供的芯片封裝決定。圖2顯示了Cree XLamp XP LED的封裝，表1詳細(xì)說(shuō)明了其熱阻，單位為°C/W.雖然設(shè)計(jì)工程師無(wú)法直接控制Rth j-sp，但其價(jià)值因制造商而異，并且在選擇大功率LED時(shí)需要考慮的重要數(shù)字。例如，歐司朗提供其OSTAR系列，其中包括Rth j-sp約為5°C/W的高功率白光LED。

圖2：Cree XLamp XP LED封裝。

表1：Cree XLamp LED的典型熱阻(°C/W)值。

降低PCB熱阻

FR-4是迄今為止最常見(jiàn)的PCB基板，是一種阻燃玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂層壓板。這使得它成為一種堅(jiān)固，剛性，易于加工的材料，用于制造電路板，但是導(dǎo)熱性差。為了證明FR-4的熱性能有多糟糕，讓我們用下面的公式計(jì)算它的熱阻：

Rth sp-pcb = l/(kx A)[1]

其中：

l = FR-4厚度(m);

k =導(dǎo)熱系數(shù)(W/mK);

A =熱源垂直面積。

舉例說(shuō)明LED的導(dǎo)熱墊安裝在PCB上的焊盤(pán)上，尺寸為10 x 10 mm，厚度為1.6 mm，熱導(dǎo)率為0.2 W/mK，熱阻為80°C/W。 (請(qǐng)注意，這種計(jì)算是近似值，因?yàn)樗鼪](méi)有考慮LED和PCB之間界面的導(dǎo)電性，散熱，對(duì)流熱阻或邊界條件。)

這是一個(gè)非常高的熱阻，會(huì)可能導(dǎo)致高功率LED快速過(guò)熱。

但是有一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的修改可以顯著改善這種情況。在LED焊盤(pán)安裝座下方的PCB上添加所謂的熱通孔(圖3)可降低基板的熱阻。這種技術(shù)更具成本效益，因?yàn)樵赑CB制造過(guò)程中通常會(huì)將許多過(guò)孔作為電路元件進(jìn)行鉆孔 - 因此在設(shè)計(jì)中添加更多過(guò)孔會(huì)帶來(lái)最小的額外成本。

圖3：帶有熱過(guò)孔的FR-4橫截面(不按比例)。 (禮貌：Cree)

為了獲得最佳效果，LED制造商推薦一系列散熱孔，位于LED散熱墊正下方，垂直于LED導(dǎo)熱墊。這通過(guò)提供多個(gè)協(xié)同工作的熱路徑以及限制熱量擴(kuò)散到PCB的其余部分來(lái)最小化電阻。

除了優(yōu)化幾何外，熱過(guò)孔的功效還取決于它們的結(jié)構(gòu)。例如，如果通孔是空心的，則它們具有比填充有固體銅，焊料或?qū)щ姯h(huán)氧樹(shù)脂的通孔更高的熱阻?？紤]一個(gè)典型的0.6毫米直徑的焊料填充焊料(通常在鍍銅的通孔通過(guò)焊接機(jī)時(shí)發(fā)生)。

與LED導(dǎo)熱墊垂直的直徑為0.6毫米的區(qū)域?yàn)?.28mm²。焊料的導(dǎo)熱率約為58 W/mK。使用公式[1]，這種通孔在1.6mm厚的PCB中的熱阻為97.5°C/W.

每個(gè)單獨(dú)的通孔似乎都不會(huì)影響散熱，但總的來(lái)說(shuō)，LED的導(dǎo)熱墊下面有多個(gè)過(guò)孔，過(guò)孔會(huì)影響溫度。例如，如果陣列包括五個(gè)熱通孔，則與熱源垂直的面積增加五倍，因此組合的熱阻降至19.5W/K.

當(dāng)考慮FR-4的附加熱阻時(shí)，計(jì)算將完成，因?yàn)榇蟛糠趾副P(pán)區(qū)域仍然由FR-4組成。

為了使計(jì)算保持相對(duì)簡(jiǎn)單，假設(shè)過(guò)孔和FR-4的熱阻再次并行。然后可以通過(guò)以下公式計(jì)算熱阻：

Rth = 1/(1/Rth via + 1/Rth FR-4)

結(jié)果是15.7°C/W，或比FR-好80%僅4。 (注意：此計(jì)算忽略了計(jì)算FR-4熱阻時(shí)過(guò)孔占據(jù)的焊盤(pán)區(qū)域)。

這是一個(gè)簡(jiǎn)化的案例，假設(shè)PCB的下側(cè)保持在合理的環(huán)境溫度下。實(shí)際上，可能需要額外的散熱器來(lái)從下側(cè)散熱。通過(guò)向PCB添加熱過(guò)孔并降低基板的熱阻，可以指定比其他方式所需的更小，更便宜的散熱器。