LED热设计
理论：热阻链
概述
我以为LED节能不发热，热设计很重要吗？
非常重要。LED比白炽灯效率高，但往往仍有一半以上输入变成热，而且热量集中在很小的发光部，几乎不以红外辐射而是通过传导流向基板。结温升高光通量下降、寿命缩短。把热通道表示为热阻链，就能看出瓶颈在哪里。我们以排了10颗3 W LED的灯具，计算不同基板和散热器选择的差别。
结温
$R_{j\text{-}sp}$ 为结到焊点热阻（数据手册值，此处4 K/W），$R_{board}$ 为基板厚度方向热阻，$R_{hs}$ 为散热器到空气热阻。散热器由N颗LED共用，承受全部发热。
基板热阻
MCPCB中薄绝缘层占热阻的大部分，下面的铝能很好地扩散热量。FR-4中散热过孔的镀铜是主要通道。两者都是焊盘下的一维估算，不含铜箔的横向扩散。
从白炽灯到LED
白炽灯九成以上的输入变成热，但大部分以红外线辐射出玻璃泡，热量朝照明方向散去。LED效率高得多，却被认为“热设计难”，是因为热量集中在几毫米见方的发光部，必须通过传导而不是辐射从背面导出。2000年代照明用白光LED普及后，出现了与铝基板和散热器一体化的灯具。
算例：10颗3 W LED灯具
每颗输入3 W、电光效率35%（发热1.95 W），焊盘3 mm见方，环境40℃。
基板与散热器组合
| 基板 | 基板热阻 | 强制风冷 2 K/W | 自然冷却 4 K/W |
|---|---|---|---|
| MCPCB（绝缘层0.1 mm） | 5.1 K/W | 96.6 °C | 135.6 °C |
| FR-4＋9个散热过孔 | 20.4 K/W | 126.6 °C | 165.6 °C |
数值为结温。无过孔的FR-4仅按焊盘下估算达几百K/W，即使考虑横向扩散也不实用。
Tj ≤ 105℃所需散热器
| 基板 | 所需散热器热阻 |
|---|---|
| MCPCB | 2.43 K/W以下 |
| FR-4＋9个过孔 | 0.89 K/W以下 |
效率的影响（MCPCB·强制风冷）
| 电光效率 | 单颗发热 | 结温 |
|---|---|---|
| 35% | 1.95 W | 96.6 °C |
| 50% | 1.50 W | 83.6 °C |
仅换基板就差30 K，而且用FR-4时对散热器的要求严格近三倍。
LED的热量集中在几毫米见方的焊盘上，所以其下薄层的热阻起决定作用。MCPCB绝缘层只有0.1 mm厚，导热系数约为FR-4的7倍，约5 K/W即可；FR-4只能靠过孔的细铜穿过1.6 mm厚度，达20 K/W。发热1.95 W时，这一差别约为30 K。散热器承受10颗的发热，其余量由总温度预算减去基板占用部分决定。FR-4在基板上用掉太多预算，留给散热器的余量很小。提高效率也有效：从35%提高到50%，发热减少23%，结温下降13 K。
设计要点
- 确认数据手册热阻、允许结温和寿命条件。
- 发热按输入减去光输出估算（确认效率）。
- 先检查焊盘下薄层（绝缘层、焊料、TIM）的热阻。
- 多颗排列时考虑散热器共用和相邻LED热量叠加。
- 灯具内空气易滞留，环境温度要用灯具内部温度。
“装进天花板就变暗了”
某LED筒灯在试验室里亮度和寿命都很好，装进铺有保温材料的天花板后，几个月亮度就明显下降。灯具背面的散热器被保温材料包围，环境温度远超40℃。用热阻公式说，Ta本身升高了，散热器热阻也变差了。可能被保温材料覆盖的灯具，需要按相应的环境温度重新做热设计。
常见错误
错误与对策
| 错误 | 后果 | 对策 |
|---|---|---|
| 把输入全当作光 | 低估发热 | 由效率算发热 |
| 忽略基板热阻 | 低估结温 | 计算焊盘下各层 |
| 按试验室环境温度设计 | 实际使用过热 | 用灯具内温度 |
| 按单颗配散热器 | 整体过热 | 按总发热 |
| TIM或焊料空洞 | 局部过热 | 确认装配质量 |
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