發光二極管基板電路設計對光通量維持率的影響

夏琦　李芳

摘 要：針對發光二極管如火如荼的應用，文章重點分析了發光二極管熱傳導的路徑，對比測試了不同基板電路下發光二極管光通量的變化，提出了利于發光二極管散熱的電路設計原則。

關鍵詞：發光二極管；電路；散熱；光通量

1 引言

1962年，美國人霍洛尼亞柯制成了世界上第一個發光二極管（LED）。隨著光效的不斷提升、成本的大幅下降和應用技術的成熟，LED得到越來越廣泛的應用，在顯示、指示、景觀、照明、通訊等方面大量使用。

LED突出的一大優勢在于長壽命。LED的理論壽命可達10萬小時，但實際使用壽命僅幾萬小時，甚至幾千小時。除LED自身品質外，影響LED實際壽命的主要因素是驅動電流、散熱能力和環境條件 [1]，而散熱能力主要取決于熱阻、有效散熱面積。

具體到LED照明燈具，其部件主要為LED光源、LED驅動、LED基板、散熱器、界面材料和結構件。其中LED基板是連接LED光源和LED驅動的電學中介，也是連接LED光源和散熱器的熱學中介。近年，出現了鏡面金屬基板上直接進行LED封裝的COB技術，它將LED光源和LED基板融合為COB光源，得到了長足發展、并逐步成熟，但獨立LED基板依然以大幅優勢廣泛存在于LED燈具中。研究LED基板對LED散熱影響的現實意義仍然存在。

LED基板包括覆銅層（電路層）、介電層和基材層（有鋁、環氧樹脂、酚醛樹脂等品種）?；咫娐吩O計主要就是針對覆銅層進行平面形狀設計，以滿足電氣需要。但是基板電路還是一個熱學中介，普通LED燈具熱傳導路徑如下圖[2]。

圖中LED基板為鋁基板，包括基板電路層（覆銅層）、介電層和鋁層。提高這三層的導熱能力，無疑會減小熱阻，提高LED壽命。盡管基板電路層具有高導熱性能，但它畢竟是熱傳導路徑的一分子，對LED散熱和光通量維持率一定有所影響，有研究的必要。

LED基板電路層分為導電銅箔和導熱銅箔；在滿足電氣要求狀況下，導熱銅箔的設計有比較大的自由空間，但無外乎要考慮其形狀和面積。由于銅箔得導熱性能遠遠優于各類導熱膠（膏或脂類）和鋁質熱沉，其形狀對散熱和光通量維持率的影響很小，重點考慮面積因素。

2 不同電路設計下LED光通量的測量

為測量不同電路設計對光通量維持率的影響，我們設計了兩款鋁基板，如下圖。

左款鋁基板同右款鋁基板的材質和外尺寸、導電銅箔（圖中1、2）尺寸和位置完全相同，左款的導熱銅箔（圖中0）做到了最大化，右款的導熱銅箔（圖中0）做到了最小化（同普通1W大功率LED的導熱底部大小相同）。我們用三點熔錫的方式（上圖中1、2、0三點）將某公司同批次零散的白光1W LED焊接于鋁基板上，再用相同的導熱硅脂將鋁基板分別固定于相同的散熱器上，最后用LED驅動點亮串聯的LED光源。我們通過測量了不同時間下的LED光通量，如下兩個表。

3 基板電路設計對光通量的影響

為直觀體現基板電路設計對LED光通量的影響，截取表1、表2數據，并統計匯總結果見表3。

從表3可以明顯看出，左款基板的18000h光通量維持率較高，高出約10%。也就是大面積導熱銅箔的基板設計具有更強的散熱能力。

4 基板導熱性能對光通量的影響

為直觀體現基板導熱性能對LED光通量維持率的影響，截取表3數據并作分析，結果見表4。

從表4可以明顯看出，大面積導熱銅箔基板設計的優越性明顯，但應用在導熱性能低的基板上優越性更為突出。也就是導熱性能低的基板（如酚醛基板、環氧基板）上采用大面積導熱銅箔設計的必要性更為重大。

市場上還有很多沒有熱沉的LED品種，如直插LED、3528等，他們的熱量主要靠電極傳導，對應基板上的銅箔導熱也導電。此類基板的導熱銅箔和導電銅箔合二為一，在電路設計上依然要增大面積來明顯提高光通量維持率，而且效果顯著。

5 結語

基板作為LED和散熱器之間的導電通道和導熱通道，其作用不容忽視?；咫娐吩O計影響LED光通量維持率，采用大面積導熱銅箔設計有利于明顯提高光通量維持率，尤其在應用低導熱性能的基板和無熱沉LED時。

參考文獻

[1]鐘曉智；LED照明燈具壽命影響因素的研究；科技與企業；2014年第24期

[2]技術中心；淺談LED光源產品中的熱設計；艾比森電子期刊；2013年第46期