发光二极管基板电路设计对光通量维持率的影响

夏琦　李芳

摘 要：针对发光二极管如火如荼的应用，文章重点分析了发光二极管热传导的路径，对比测试了不同基板电路下发光二极管光通量的变化，提出了利于发光二极管散热的电路设计原则。

关键词：发光二极管；电路；散热；光通量

1 引言

1962年，美国人霍洛尼亚柯制成了世界上第一个发光二极管（LED）。随着光效的不断提升、成本的大幅下降和应用技术的成熟，LED得到越来越广泛的应用，在显示、指示、景观、照明、通讯等方面大量使用。

LED突出的一大优势在于长寿命。LED的理论寿命可达10万小时，但实际使用寿命仅几万小时，甚至几千小时。除LED自身品质外，影响LED实际寿命的主要因素是驱动电流、散热能力和环境条件 [1]，而散热能力主要取决于热阻、有效散热面积。

具体到LED照明灯具，其部件主要为LED光源、LED驱动、LED基板、散热器、界面材料和结构件。其中LED基板是连接LED光源和LED驱动的电学中介，也是连接LED光源和散热器的热学中介。近年，出现了镜面金属基板上直接进行LED封装的COB技术，它将LED光源和LED基板融合为COB光源，得到了长足发展、并逐步成熟，但独立LED基板依然以大幅优势广泛存在于LED灯具中。研究LED基板对LED散热影响的现实意义仍然存在。

LED基板包括覆铜层（电路层）、介电层和基材层（有铝、环氧树脂、酚醛树脂等品种）。基板电路设计主要就是针对覆铜层进行平面形状设计，以满足电气需要。但是基板电路还是一个热学中介，普通LED灯具热传导路径如下图[2]。

图中LED基板为铝基板，包括基板电路层（覆铜层）、介电层和铝层。提高这三层的导热能力，无疑会减小热阻，提高LED寿命。尽管基板电路层具有高导热性能，但它毕竟是热传导路径的一分子，对LED散热和光通量维持率一定有所影响，有研究的必要。

LED基板电路层分为导电铜箔和导热铜箔；在满足电气要求状况下，导热铜箔的设计有比较大的自由空间，但无外乎要考虑其形状和面积。由于铜箔得导热性能远远优于各类导热胶（膏或脂类）和铝质热沉，其形状对散热和光通量维持率的影响很小，重点考虑面积因素。

2 不同电路设计下LED光通量的测量

为测量不同电路设计对光通量维持率的影响，我们设计了两款铝基板，如下图。

左款铝基板同右款铝基板的材质和外尺寸、导电铜箔（图中1、2）尺寸和位置完全相同，左款的导热铜箔（图中0）做到了最大化，右款的导热铜箔（图中0）做到了最小化（同普通1W大功率LED的导热底部大小相同）。我们用三点熔锡的方式（上图中1、2、0三点）将某公司同批次零散的白光1W LED焊接于铝基板上，再用相同的导热硅脂将铝基板分别固定于相同的散热器上，最后用LED驱动点亮串联的LED光源。我们通过测量了不同时间下的LED光通量，如下两个表。

3 基板电路设计对光通量的影响

为直观体现基板电路设计对LED光通量的影响，截取表1、表2数据，并统计汇总结果见表3。

从表3可以明显看出，左款基板的18000h光通量维持率较高，高出约10%。也就是大面积导热铜箔的基板设计具有更强的散热能力。

4 基板导热性能对光通量的影响

为直观体现基板导热性能对LED光通量维持率的影响，截取表3数据并作分析，结果见表4。

从表4可以明显看出，大面积导热铜箔基板设计的优越性明显，但应用在导热性能低的基板上优越性更为突出。也就是导热性能低的基板（如酚醛基板、环氧基板）上采用大面积导热铜箔设计的必要性更为重大。

市场上还有很多没有热沉的LED品种，如直插LED、3528等，他们的热量主要靠电极传导，对应基板上的铜箔导热也导电。此类基板的导热铜箔和导电铜箔合二为一，在电路设计上依然要增大面积来明显提高光通量维持率，而且效果显著。

5 结语

基板作为LED和散热器之间的导电通道和导热通道，其作用不容忽视。基板电路设计影响LED光通量维持率，采用大面积导热铜箔设计有利于明显提高光通量维持率，尤其在应用低导热性能的基板和无热沉LED时。

参考文献

[1]钟晓智；LED照明灯具寿命影响因素的研究；科技与企业；2014年第24期

[2]技术中心；浅谈LED光源产品中的热设计；艾比森电子期刊；2013年第46期