各種不同的PCB
目前應(yīng)用與大功率LED作散熱的PCB有三種：普通雙面敷銅板（FR4）、鋁合金基敷銅板（MCPCB）、柔性薄膜PCB用膠粘在鋁合金板上的PCB。
MCPCB的結(jié)構(gòu)如圖7所示。各層的厚度尺寸如表3所示。

圖7  MCPCB結(jié)構(gòu)圖

其散熱效果與銅層及金屬層厚如度尺寸及絕緣介質(zhì)的導(dǎo)熱性有關(guān)。一般采用35μm銅層及1.5mm鋁合金的MCPCB。

柔性PCB粘在鋁合金板上的結(jié)構(gòu)如圖8所示。一般采用的各層厚度尺寸如表4所示。1～3W星狀LED采用此結(jié)構(gòu)。

采用高導(dǎo)熱性介質(zhì)的MCPCB有最好的散熱性能，但價(jià)格較貴。

圖8  散熱層結(jié)構(gòu)圖

 

計(jì)算舉例
這里采用了NICHIA公司的測(cè)量T_C的實(shí)例中取部分?jǐn)?shù)據(jù)作為計(jì)算舉例。已知條件如下：
LED：3W白光LED、型號(hào)MCCW022、R_JC=16℃/W。K型熱電偶點(diǎn)溫度計(jì)測(cè)量頭焊在散熱墊上。

PCB試驗(yàn)板：雙層敷銅板（40×40mm）、t=1.6mm、焊接面銅層面積1180mm2背面銅層面積1600mm2。

LED工作狀態(tài)：I_F=500mA、V_F = 3.97V。

按圖9用K型熱電偶點(diǎn)溫度計(jì)測(cè)T_C，T_C=71℃。測(cè)試時(shí)環(huán)境溫度T_A =  25℃.
1.TJ計(jì)算
T_J=R_JC×P_D+T_C=R_JC（I_F×V_F）+T_C

T_J=16℃/W（500mA×3.97V）
   +71℃=103℃

圖9   T_C測(cè)量位置圖

2.RBA計(jì)算
R_JA=（T_C－T_A）/P_D
   =（71℃－25℃）/1.99W
   =23.1℃/W

3.RJA計(jì)算
R_JA=R_JC+R_BA

   =16℃/W+23.1℃/W
   =39.1℃/W
如果設(shè)計(jì)的T_Jmax=90℃，則按上述條件計(jì)算出來(lái)的T_J不能滿足設(shè)計(jì)要求，需要改換散熱更好的PCB或增大散熱面積，并再一次試驗(yàn)及計(jì)算，直到滿足T_J≤T_Jmax為止。

另外一種方法是，在采用的LED的R_JC值太大時(shí)，若更換新型同類(lèi)產(chǎn)品R_JC=9℃/W(I_F=500mA時(shí)V_F=3.65V)，其他條件不變，T_J計(jì)算為：
T_J=9℃/W（500mA×3.65V）+71℃
  =87.4℃

上式計(jì)算中71℃有一些誤差，應(yīng)焊上新的9℃/W的LED重新測(cè)T_C（測(cè)出的值比71℃略?。?。這對(duì)計(jì)算影響不大。采用了9℃/W的LED后不用改變PCB材質(zhì)及面積，其T_J符合設(shè)計(jì)的要求。

 

PCB背面加散熱片
若計(jì)算出來(lái)的T_J比設(shè)計(jì)要求的T_Jmax大得多，而且在結(jié)構(gòu)上又不允許增加面積時(shí)，可考慮將PCB背面粘在“∪”形的鋁型材上（或鋁板沖壓件上），或粘在散熱片上，如圖10所示。這兩種方法是在多個(gè)大功率LED的燈具設(shè)計(jì)中常用的。例如，上述計(jì)算舉例中，在計(jì)算出T_J=103℃的PCB背后粘貼一個(gè)10℃/W的散熱片，其T_J降到80℃左右。

圖10  “∪”形鋁型材

這里要說(shuō)明的是，上述T_C是在室溫條件下測(cè)得的（室溫一般15～30℃）。若LED燈使用的環(huán)境溫度T_A大于室溫時(shí)，則實(shí)際的TJ要比在室溫測(cè)量后計(jì)算的T_J要高，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮這個(gè)因素。若測(cè)試時(shí)在恒溫箱中進(jìn)行，其溫度調(diào)到使用時(shí)最高環(huán)境溫度，為最佳。

另外，PCB是水平安裝還是垂直安裝，其散熱條件不同，對(duì)測(cè)T_C有一定影響，燈具的外殼材料、尺寸及有無(wú)散熱孔對(duì)散熱也有影響。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)要留有余地。

 

結(jié)束語(yǔ)
采用一定散熱面積的PCB、裝上LED的試驗(yàn)板，在LED工作狀態(tài)下測(cè)出T_C再計(jì)算的方法來(lái)作散熱設(shè)計(jì)是一種簡(jiǎn)便、有效的方法，可以較好地設(shè)計(jì)出滿足結(jié)溫T_Jmax要求的散熱結(jié)構(gòu)（PCB材質(zhì)及面積）。

這種散熱設(shè)計(jì)方法除適用于大功率白光LED的照明燈具外，也適用于其他發(fā)光顏色的大功率LED燈具，如警示燈、裝飾燈等。