五、热管导热

　　在很多场合需要把LED所产生的热量以最快的速度传送到散热器，这在采用集成式的单片大功率LED中尤其重要，因为它的热量很大(功率可达50W-100W)又很集中(有时只有30mm)，这时候就必须采用热管散热。

　　热管也称为相变导热器，因为在其中的液体从液相变为气相而导热。它的热阻非常小，大约只有0.065°C/W。

　　图7. 热管导热原理

　　其内壁采用铜粉烧结，以利于变回液相的载热体吸附其上而回流。然而，热管只能把热传送到远端，而并没有把热量散发到空气中去。所以即使采用热管，还是需要有普通的铝散热器把热量散发出去。再次要提醒注意的是，采用铜热管以后，要特别注意它和前端的铝基板以及后端的铝散热器的结合部一定要互相紧密地接触并防止由于热膨胀系数的不同而脱开。在其结合部要采用高质量的导热硅胶涂敷。

　　导热效果更好的是回路热管

　　图8. 回路热管

　　回路热管的最大优点就是它的不需要外加动力装置就可以循环导热、导热距离长，传送功率大(几百瓦)，形状多样性和不受重力要求的限制，也就是说它可以任意放置。台湾的阳杰科技公司采用了回路热管技术以后，150W的LED路灯重量只有8.5公斤，100W的LED路灯，重量只有5.5公斤。

　　六.系统的热阻

　　各部分的导热能力也可以用系统的热阻来说明，一个LED灯具的结构图见图9。

　　图9. LED灯具的散热结构图

　　从图中可以看出，LED芯片所产生的热，从它的金属散热块出来，先经过焊料到铝基板的PCB，再通过导热胶才到铝散热器。而要定量地了解LED芯片的散热过程，最好利用热阻的概念。热量就好像电荷，热量流动起来就好像电流，流动的过程中会遇到阻力，就好像电阻，在这里我们称之为热阻。热阻的单位为每瓦多少度(°C/W)，也就是每流过1瓦的功率会上升多少度。如果知道所需耗散的功率，又知道其热阻，就可以知道它的温升是多少。热阻越大，热量越流不动，温升就越高，热阻越小，热量流动越快，温升就越小。图中表明热量从LED芯片流出到空气需要经过很多不同的热阻：

　　Rj1：从芯片到安装底板的热阻(也就是芯片的热阻)

　　Rj2：焊料的热阻

　　Rj3：铝基板的热阻

　　Rj4：导热硅胶的热阻

　　Rj5：从散热器到空气的热阻

　　所以从芯片到空气的总热阻就应该是：

　　Rja=Rj1+Rj2+Rj3+Rj4+Rj5

　　只要知道从芯片到空气的全部热阻，就可以根据需要耗散的功率Pd，计算出结温来，知道了结温也就可以知道其寿命了。

　　假定环境温度为Ta，那么结温为：

　　Tj = Pd(Rj1+Rj2+Rj3+Rj4+Rj5)+Ta

　　然而实际的LED灯具，从LED芯片到空气所经过的热阻要远比这个多很多，例如，通常薄膜印制板是安装在铝基板上，铝基板再安装到铝散热器上，其间还要涂上导热胶，导热胶的厚度很难估计，而且其中还有残存的气隙。对于采用热管的灯具，则还要考虑热管和散热鳍片之间的空隙和导热胶的热阻等问题。

　　而且最难估算的是Rj5，也就是散热器到空气的热阻。这牵涉到很多有关对流和辐射的散热机制问题。

　　需要注意的是在计算LED的散热时，经常犯的一个错误是把LED的全部功率当成是其耗散功率Pd。例如，一个1W的LED，其正向电压是3.3V，正向电流是350mA。于是就把这二者的乘积1.155瓦作为其耗散功率。这是错误的。因为这只是其输入功率，而不是其耗散功率。有一部分输入功率变成了有用的光发射出去了。需要作为热来耗散的那部分，应当是输入功率减去以有用光的形式发射出去的那部分，才是需要作为热而耗散的那部分。不过这部分比较难计算。一般来说，因为LED的发光效率有所不同，而这个耗散功率也有所不同。一般来说，可以作如下的近似：发光效率为100lm/W，其耗散功率应为70%输入功率，对于上面所说的1W的LED，也就是1.155x0.7=0.8W变成无用的热需要散发出去。

　　那么是不是知道了所有各部分的热阻，我们就可以知道这个LED灯具的总热阻，也就可以知道LED芯片的结温，也就可以知道这个灯具的寿命了呢?

　　情况远远不是那么简单，虽然我们可以仔细分析每一部分的热阻，甚至还可以得到比较精确的数字，但是还是有很多重要的因素被我们忽略掉了。因为上面的这个模型只不过是单个LED的灯具的模型，而实际的灯具要比这个模型复杂很多。

　　1. LED的分布。在很多情况下，LED灯具里是由很多颗LED所构成而不是只有一个LED。可能所有这些LED都焊在一块铝基板上。这时候如果只用标准的铝基板的热阻来计算整个灯具的热阻就会有很大的出入。因为每个LED的散热会受到周围LED所发出的热影响。换句话说，这时铝基板的热阻是很难计算的。

　　2. 其他热源的影响，例如LED的恒流电源就是重要的发热源，假如这个发热源靠近某些LED，那么就会明显降低这些LED的散热而缩短其寿命。也相当于改变了其热阻。

　　3. 热阻实际上只考虑了热传导，而根本没有考虑热对流和热辐射。热量从LED芯片出发，经过了一系列不同材质传导，最后到达鳍片散热器。这些热量最后都要散发到空气中去。如果散发不到空气中，那么这些热量也会越积越多，导致结温的升高。所以可以说，最后鳍片散热器散到空气中的这一环节，是最关键的一环，是最复杂的一环，也是最难计算的一环。或者说Rj5基本上是无法用简单的计算就能算出来的。这就使得要通过所有部件的热阻来计算出LED的结温几乎是不可能的事。