高功率LED過熱會對芯片的使用壽命產(chǎn)生巨大影響。因此，此類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。添加散熱器會有所幫助，但設(shè)計人員應(yīng)首先考慮對PCB進(jìn)行相對便宜的修改以改善散熱。

LED結(jié)溫可以使用以下公式計算：

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，對于在給定環(huán)境溫度下運(yùn)行的設(shè)備，降低熱阻會降低溫度。簡單地說，通過提供散熱的路徑，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)一個單獨(dú)的散熱器不是設(shè)計的一部分;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;

Rth sp-pcb =焊盤與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)說明了其熱阻，單位為°C/W.雖然設(shè)計工程師無法直接控制Rth j-sp，但其價值因制造商而異，并且在選擇大功率LED時需要考慮的重要數(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是迄今為止最常見的PCB基板，是一種阻燃玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂層壓板。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。

舉例說明LED的導(dǎo)熱墊安裝在PCB上的焊盤上，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。 （請注意，這種計算是近似值，因?yàn)樗鼪]有考慮LED和PCB之間界面的導(dǎo)電性，散熱，對流熱阻或邊界條件。）

這是一個非常高的熱阻，會可能導(dǎo)致高功率LED快速過熱。

但是有一個相對簡單的修改可以顯著改善這種情況。在LED焊盤安裝座下方的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制造過程中通常會將許多過孔作為電路元件進(jìn)行鉆孔 - 因此在設(shè)計中添加更多過孔會帶來最小的額外成本。

圖3：帶有熱過孔的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。這通過提供多個協(xié)同工作的熱路徑以及限制熱量擴(kuò)散到PCB的其余部分來最小化電阻。

除了優(yōu)化幾何外，熱過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)氧樹脂的通孔更高的熱阻。考慮一個典型的0.6毫米直徑的焊料填充焊料（通常在鍍銅的通孔通過焊接機(jī)時發(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.

每個單獨(dú)的通孔似乎都不會影響散熱，但總的來說，LED的導(dǎo)熱墊下面有多個過孔，過孔會影響溫度。例如，如果陣列包括五個熱通孔，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，計算將完成，因?yàn)榇蟛糠趾副P區(qū)域仍然由FR-4組成。

為了使計算保持相對簡單，假設(shè)過孔和FR-4的熱阻再次并行。然后可以通過以下公式計算熱阻：

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：此計算忽略了計算FR-4熱阻時過孔占據(jù)的焊盤區(qū)域）。

這是一個簡化的案例，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從下側(cè)散熱。通過向PCB添加熱過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。