如何選取LED散熱方式和材質(zhì)

在科技高度發(fā)展的今天，電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代越來(lái)越快，LED燈的技術(shù)也在不斷發(fā)展，為我們的城市裝飾得五顏六色。隨著材料及封裝技術(shù)的不斷演進(jìn)，促使LED產(chǎn)品亮度不斷提高，LED的應(yīng)用越來(lái)越廣，以LED作為顯示器的背光源，更是近來(lái)熱門(mén)的話題，主要是不同種類(lèi)的LED背光源技術(shù)分別在色彩、亮度、壽命、耗電度及環(huán)保訴求等均比傳統(tǒng)冷陰極管(CCFL)更具優(yōu)勢(shì)，因而吸引業(yè)者積極投入。

最初的單芯片LED的功率不高，發(fā)熱量有限，熱的問(wèn)題不大，因此其封裝方式相對(duì)簡(jiǎn)單。但近年隨著LED材料技術(shù)的不斷突破，LED的封裝技術(shù)也隨之改變，從早期單芯片的炮彈型封裝逐漸發(fā)展成扁平化、大面積式的多芯片封裝模組;其工作電流由早期20mA左右的低功率LED，進(jìn)展到目前的1/3至1A左右的高功率LED，單顆LED的輸入功率高達(dá)1W以上，甚至到3W、5W封裝方式更進(jìn)化。

由于高亮度高功率LED系統(tǒng)所衍生的熱問(wèn)題將是影響產(chǎn)品功能優(yōu)劣關(guān)鍵，要將LED組件的發(fā)熱量迅速排出至周遭環(huán)境，首先必須從封裝層級(jí)(L1&L2)的熱管理著手。目前業(yè)界的作法是將LED芯片以焊料或?qū)岣嘟釉谝痪鶡崞?，?jīng)由均熱片降低封裝模組的熱阻抗，這也是目前市面上最常見(jiàn)的LED封裝模組，主要來(lái)源有Lumileds、OSRAM、Cree和Nicha等LED國(guó)際知名廠商。

許多終端的應(yīng)用產(chǎn)品，如迷你型投影機(jī)、車(chē)用及照明用燈源，在特定面積下所需的流明量需超過(guò)上千流明或上萬(wàn)流明，單靠單芯片封裝模組顯然不足以應(yīng)付，走向多芯片LED封裝，及芯片直接黏著基板已是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。散熱問(wèn)題是在LED開(kāi)發(fā)用作照明物體的主要障礙，采用陶瓷或散熱管是一個(gè)有效防止過(guò)熱的方法，但散熱管理解決方案使材料的成本上升，高功率LED散熱管理設(shè)計(jì)的目的是有效地降低芯片散熱到最終產(chǎn)品之間的熱阻，Rjunction-to-case是其中一種采用材料的解決方案，提供低熱阻但高傳導(dǎo)性，通過(guò)芯片附著或熱金屬方法來(lái)使熱直接從芯片傳送到封裝外殼的外面。

當(dāng)然，LED的散熱組件與CPU散熱相似，都是由散熱片、熱管、風(fēng)扇及熱界面材料所組成的氣冷模組為主，當(dāng)然水冷也是熱對(duì)策之一。以當(dāng)前最熱門(mén)的大尺寸LEDTV背光模組而言，40英寸及46英寸的LED背光源輸入功率分別為470W及550W，以其中的80%轉(zhuǎn)成熱來(lái)看，所需的散熱量約在360W及440W左右。那么該如何將這些熱量帶走?目前業(yè)界有用水冷方式進(jìn)行冷卻，但有高單價(jià)及可靠度等疑慮;也有用熱管配合散熱片及風(fēng)扇來(lái)進(jìn)行冷卻，比方說(shuō)日本大廠SONY的46吋LED背光源液晶電視，但風(fēng)扇耗電及噪音等問(wèn)題還是存在。因此，如何設(shè)計(jì)無(wú)風(fēng)扇的散熱方式，可能會(huì)是決定未來(lái)誰(shuí)能勝出的重要關(guān)鍵。

下面就為大家介紹幾種散熱方式和散熱的材質(zhì)。

散熱方式

一般說(shuō)來(lái)，依照從散熱器帶走熱量的方式，可以將散熱器分為主動(dòng)式散熱和被動(dòng)式散熱。所謂的被動(dòng)式散熱，是指通過(guò)散熱片將熱源LED光源熱量自然散發(fā)到空氣中，其散熱的效果與散熱片大小成正比，但因?yàn)槭亲匀簧l(fā)熱量，效果當(dāng)然大打折扣，常常用在那些對(duì)空間沒(méi)有要求的設(shè)備中，或者用于為發(fā)熱量不大的部件散熱，如部分普及型主板在北橋上也采取被動(dòng)式散熱，絕大多數(shù)采取主動(dòng)式散熱式，主動(dòng)式散熱就是通過(guò)風(fēng)扇等散熱設(shè)備強(qiáng)迫性地將散熱片發(fā)出的熱量帶走，其特點(diǎn)是散熱效率高，而且設(shè)備體積小。

主動(dòng)式散熱，從散熱方式上細(xì)分，可以分為風(fēng)冷散熱、液冷散熱、熱管散熱、半導(dǎo)體制冷、化學(xué)制冷等等。風(fēng)冷風(fēng)冷散熱是最常見(jiàn)的散熱方式，相比較而言，也是較廉價(jià)的方式。風(fēng)冷散熱從實(shí)質(zhì)上講就是使用風(fēng)扇帶走散熱器所吸收的熱量。具有價(jià)格相對(duì)較低，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。但對(duì)環(huán)境依賴(lài)比較高，例如氣溫升高以及超頻時(shí)其散熱性能就會(huì)大受影響。

液冷

液冷散熱是通過(guò)液體在泵的帶動(dòng)下強(qiáng)制循環(huán)帶走散熱器的熱量，與風(fēng)冷相比，具有安靜、降溫穩(wěn)定、對(duì)環(huán)境依賴(lài)小等等優(yōu)點(diǎn)。液冷的價(jià)格相對(duì)較高，而且安裝也相對(duì)麻煩一些。同時(shí)安裝時(shí)盡量按照說(shuō)明書(shū)指導(dǎo)的方法安裝才能獲得最佳的散熱效果。出于成本及易用性的考慮，液冷散熱通常采用水做為導(dǎo)熱液體，因此液冷散熱器也常常被稱(chēng)為水冷散熱器。

熱管

熱管屬于一種傳熱元件，它充分利用了熱傳導(dǎo)原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，通過(guò)在全封閉真空管內(nèi)的液體的蒸發(fā)與凝結(jié)來(lái)傳遞熱量，具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠(yuǎn)距離傳熱、可控制溫度等一系列優(yōu)點(diǎn)，并且由熱管組成的換熱器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、流體阻損小等優(yōu)點(diǎn)。其導(dǎo)熱能力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。

半導(dǎo)體制冷

半導(dǎo)體制冷就是利用一種特制的半導(dǎo)體制冷片在通電時(shí)產(chǎn)生溫差來(lái)制冷，只要高溫端的熱量能有效的散發(fā)掉，則低溫端就不斷的被冷卻。在每個(gè)半導(dǎo)體顆粒上都產(chǎn)生溫差，一個(gè)制冷片由幾十個(gè)這樣的顆粒串聯(lián)而成，從而在制冷片的兩個(gè)表面形成一個(gè)溫差。利用這種溫差現(xiàn)象，配合風(fēng)冷/水冷對(duì)高溫端進(jìn)行降溫，能得到優(yōu)秀的散熱效果。半導(dǎo)體制冷具有制冷溫度低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，冷面溫度可以達(dá)到零下10℃以下，但是成本太高，而且可能會(huì)因溫度過(guò)低導(dǎo)致造成短路，而且現(xiàn)在半導(dǎo)體制冷片的工藝也不成熟，不夠?qū)嵱谩?/p>

化學(xué)制冷

所謂化學(xué)制冷，就是使用一些超低溫化學(xué)物質(zhì)，利用它們?cè)谌诨臅r(shí)候吸收大量的熱量來(lái)降低溫度。這方面以使用干冰和液氮較為常見(jiàn)。比如使用干冰可以將溫度降低到零下20℃以下，還有一些更“變態(tài)”的玩家利用液氮將CPU溫度降到零下100℃以下(理論上)，當(dāng)然由于價(jià)格昂貴和持續(xù)時(shí)間太短，這個(gè)方法多見(jiàn)于實(shí)驗(yàn)室或極端的超頻愛(ài)好者。

材質(zhì)的選擇

熱傳導(dǎo)系數(shù)(單位：W/mK)

銀429

銅401

金317

鋁237

鐵80

鉛34.8

1070型鋁合金226

1050型鋁合金209

6063型鋁合金201

6061型鋁合金155

一般說(shuō)來(lái)，普通風(fēng)冷散熱器自然要選擇金屬作為散熱器的材料。對(duì)所選用的材料，希望其同時(shí)具有高比熱和高熱傳導(dǎo)系數(shù)，從上可以看出，銀和銅是最好的導(dǎo)熱材料，其次是金和鋁。但是金、銀太過(guò)昂貴，所以，目前散熱片主要由鋁和銅制成。相比較而言，銅和鋁合金二者同時(shí)各有其優(yōu)缺點(diǎn)：銅的導(dǎo)熱性好，但價(jià)格較貴，加工難度較高，重量過(guò)大，且銅制散熱器熱容量較小，而且容易氧化。另一方面純鋁太軟，不能直接使用，都是使用的鋁合金才能提供足夠的硬度，鋁合金的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，重量輕，但導(dǎo)熱性比銅就要差很多。所以在散熱器的發(fā)展史上也出現(xiàn)了以下幾種材質(zhì)的產(chǎn)品：

純鋁散熱器

純鋁散熱器是早期最為常見(jiàn)的散熱器，其制造工藝簡(jiǎn)單，成本低，到目前為止，純鋁散熱器仍然占據(jù)著相當(dāng)一部分市場(chǎng)。為增加其鰭片的散熱面積，純鋁散熱器最常用的加工手段是鋁擠壓技術(shù)，而評(píng)價(jià)一款純鋁散熱器的主要指標(biāo)是散熱器底座的厚度和Pin-Fin比。Pin是指散熱片的鰭片的高度，F(xiàn)in是指相鄰的兩枚鰭片之間的距離。Pin-Fin比是用Pin的高度(不含底座厚度)除以Fin，Pin-Fin比越大意味著散熱器的有效散熱面積越大，代表鋁擠壓技術(shù)越先進(jìn)。

純銅散熱器

銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)是鋁的1.69倍，所以在其他條件相同的前提下，純銅散熱器能夠更快地將熱量從熱源中帶走。不過(guò)銅的質(zhì)地是個(gè)問(wèn)題，很多標(biāo)榜“純銅散熱器”其實(shí)并非是真正的100%的銅。在銅的列表中，含銅量超過(guò)99%的被稱(chēng)為無(wú)酸素銅，下一個(gè)檔次的銅為含銅量為85%以下的丹銅。目前市場(chǎng)上大多數(shù)的純銅散熱器的含銅量都在介于兩者之間。而一些劣質(zhì)純銅散熱器的含銅量甚至連85%都不到，雖然成本很低，但其熱傳導(dǎo)能力大大降低，影響了散熱性。此外，銅也有明顯的缺點(diǎn)，成本高，加工難，散熱器質(zhì)量太大都阻礙了全銅散熱片的應(yīng)用。紅銅的硬度不如鋁合金AL6063，某些機(jī)械加工(如剖溝等)性能不如鋁;銅的熔點(diǎn)比鋁高很多，不利于擠壓成形(Extrusion)等等問(wèn)題。

銅鋁結(jié)合技術(shù)

在考慮了銅和鋁這兩種材質(zhì)各自的缺點(diǎn)后，目前市場(chǎng)部分高端散熱器往往采用銅鋁結(jié)合制造工藝，這些散熱片通常都采用銅金屬底座，而散熱鰭片則采用鋁合金，當(dāng)然，除了銅底，也有散熱片使用銅柱等方法，也是相同的原理

。憑借較高的導(dǎo)熱系數(shù)，銅制底面可以快速吸收CPU釋放的熱量;鋁制鰭片可以借助復(fù)雜的工藝手段制成最有利于散熱的形狀，并提供較大的儲(chǔ)熱空間并快速釋放，這在各方面找到了的一個(gè)均衡點(diǎn)。雖然LED在生活中處處可見(jiàn)，但是LED也還有一些不足需要我們的設(shè)計(jì)人員擁有更加專(zhuān)業(yè)的知識(shí)儲(chǔ)備，這樣才能設(shè)計(jì)出更加符合生活所需的產(chǎn)品。