LED發(fā)熱的原因是因?yàn)樗�加入的電能并沒有全部轉(zhuǎn)化為光能，而是一部分轉(zhuǎn)化成為熱能。LED的光效目前只有100lm/W，其電光轉(zhuǎn)換效率大約只有20~30%左右。也就是說大約70%的電能都變成了熱能。

具體來(lái)說，LED結(jié)溫的產(chǎn)生是由于兩個(gè)因素所引起的。

1.內(nèi)部量子效率不高，也就是在電子和空穴復(fù)合時(shí)，并不能100%都產(chǎn)生光子，通常稱為由“電流泄漏”而使PN區(qū)載流子的復(fù)合率降低。泄漏電流乘以電壓就是這部分的功率，也就是轉(zhuǎn)化為熱能，但這部分不占主要成分，因?yàn)楝F(xiàn)在內(nèi)部光子效率已經(jīng)接近90%。

2.內(nèi)部產(chǎn)生的光子無(wú)法全部射出到芯片外部而最后轉(zhuǎn)化為熱量，這部分是主要的，因?yàn)槟壳斑@種稱為外部量子效率只有30%左右，大部分都轉(zhuǎn)化為熱量了。雖然白熾燈的光效很低，只有15lm/W左右，但是它幾乎將所有的電能都轉(zhuǎn)化為光能而輻射出去，因?yàn)榇蟛糠值妮椛淠苁羌t外線，所以光效很低，但是卻免除了散熱的問題。 LED的散熱現(xiàn)在越來(lái)越為人們所重視，這是因?yàn)長(zhǎng)ED的光衰或其壽命是直接和其結(jié)溫有關(guān)，散熱不好結(jié)溫就高，壽命就短。

大功率LED白光應(yīng)用及LED芯片散熱解決方法

當(dāng)今LED白光產(chǎn)品被逐漸運(yùn)用于各大領(lǐng)域投入使用，人們?cè)诟惺芷浯蠊β蔐ED白光帶來(lái)的驚人快感同時(shí)也在擔(dān)心其存在的種種實(shí)際問題! 首先從大功率LED白光本身性質(zhì)來(lái)說。大功率LED仍舊存在著發(fā)光均一性不佳、封閉材料的壽命不長(zhǎng)尤其是其LED芯片散熱問題很難得到很好的解決，而無(wú)法發(fā)揮白光LED被期待的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)。 其次從大功率LED白光市場(chǎng)價(jià)格來(lái)說。當(dāng)今大功率LED還是一種貴族式的白光產(chǎn)品，因?yàn)榇蠊β十a(chǎn)品的價(jià)格還是過高，而且技術(shù)上還是有待完善，所以說大功率白光LED產(chǎn)品不是誰(shuí)想用就能夠用的。 下面來(lái)分解下大功率LED散熱的相關(guān)問題。

近些年在業(yè)界專家的努力下對(duì)大功率LED芯片散熱問題提出了一下幾點(diǎn)改善方案：

Ⅰ、 通過提高LED晶片面積來(lái)增加發(fā)光量。

Ⅱ、采用封裝數(shù)個(gè)小面積LED晶片。

Ⅲ、改變LED封裝材料和螢光材料。

那么是不是通過以上三種方法就可以完全改進(jìn)大功率LED白光產(chǎn)品的散熱問題了呢?實(shí)則斐然!首先我們雖然將LED芯片的面積增大，以此獲得更多的光通量(光單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的光束數(shù)即為光通量，單位ml)希望能夠達(dá)到我們想要的白光效果，但因其實(shí)際面積過大，而導(dǎo)致在應(yīng)用過程與結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)了一些適得其反的現(xiàn)象。 那么是不是大功率LED白光散熱問題就真的無(wú)法解決了呢?當(dāng)然不是無(wú)法解決了。針對(duì)單純?cè)龃缶�片面積而出現(xiàn)的負(fù)面問題，LED白光業(yè)者們就根據(jù)電極構(gòu)造的改良及覆晶的構(gòu)造并利用封裝數(shù)個(gè)小面積LED晶片等方式從大功率LED晶片表面進(jìn)行改良從而來(lái)達(dá)到60lm/W的高光通量低高散熱的發(fā)光效率。

其實(shí)還有一種方法可以有效改進(jìn)大功率LED芯片散熱問題。那就是將其白光封裝材料用硅樹脂取代以往的塑料或者有機(jī)玻璃。更換封裝材料不僅能夠解決LED芯片散熱問題更能夠提高白光LED壽命，真是一箭雙雕啊。我想說的是幾乎所有像大功率LED白光這樣的高功率白光LED產(chǎn)品都應(yīng)該采用硅樹脂作為封裝的材料。為什么現(xiàn)在大功率LED中必須采用硅膠作為封裝材料?因?yàn)楣枘z對(duì)同樣波長(zhǎng)光線的吸收率不到1%。但是環(huán)氧樹脂對(duì)400-459nm的光線吸收率高達(dá)45%，很容易由于長(zhǎng)期吸收這種短波長(zhǎng)光線以后產(chǎn)生的老化而使光衰嚴(yán)重。

當(dāng)然在實(shí)際的生產(chǎn)生活中還會(huì)出現(xiàn)很多像大功率 LED白光芯片散熱這樣的問題，因?yàn)槿藗儗?duì)大功率LED白光越廣泛的應(yīng)用就會(huì)出現(xiàn)越深入難解的種種問題!LED芯片的特點(diǎn)是在極小的體積內(nèi)產(chǎn)生極高的熱量。而LED本身的熱容量很小，所以必須以最快的速度把這些熱量傳導(dǎo)出去，否則就會(huì)產(chǎn)生很高的結(jié)溫。為了盡可能地把熱量引出到芯片外面，人們?cè)贚ED的芯片結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了很多改進(jìn)。為了改善LED芯片本身的散熱，其最主要的改進(jìn)就是采用導(dǎo)熱更好的襯底材料。像Cree公司的LED的熱阻因?yàn)椴捎昧颂蓟�硅作基底，要比其他公司的熱阻至少低一倍。即使能夠解決從晶片到封裝材料間的抗熱性，但因從封裝到PCB板的散熱效果不好的話，同樣也是造成LED晶片溫度的上升，出現(xiàn)發(fā)光效率下降的現(xiàn)象。所以，就像是松下就為了解決這樣的問題，從2005年開始，便把包括圓形，線形，面型的白光LED,與PCB基板設(shè)計(jì)成一體，來(lái)克服可能因?yàn)槌霈F(xiàn)在從封裝到PCB板間散熱中斷的問題。因此，在面對(duì)不斷提高電流情況的同時(shí)，如何增加抗熱能力，也是現(xiàn)階段的急待被克服的問題，從各方面來(lái)看，除了材料本身的問題外，還包括從晶片到封裝材料間的抗熱性、導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)、封裝材料到PCB板間的抗熱性、導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)，及PCB板的散熱結(jié)構(gòu)等，這些都需要作整體性的考量。

LED照明燈具散熱的問題解答

對(duì)目前常見的白熾燈泡或是熒光燈來(lái)說，即便產(chǎn)品本身運(yùn)行可能產(chǎn)生熱能，但組件的高熱仍可以被有效隔離，使光源與電源接座不會(huì)因熱而產(chǎn)生意外的問題。但固態(tài)照明就不同，一來(lái)LED組件集中單點(diǎn)的運(yùn)行高溫，必須采取更多積極手段進(jìn)行散熱處理，同時(shí)搭配主動(dòng)有效的熱處理機(jī)制，才能避免燈具發(fā)生問題。LED固態(tài)光源熱處理問題較傳統(tǒng)燈具復(fù)雜得多。傳統(tǒng)光源或燈具多有運(yùn)行過程產(chǎn)生高熱的問題，例如鹵素?zé)襞莼虬谉霟襞�，若是白熾燈形式，即在特殊處理的燈球�?nèi)加熱鎢絲產(chǎn)生光亮。實(shí)際上，高溫產(chǎn)生在燈絲上而非燈座，即便燈座會(huì)因燈球玻璃或是金屬受鎢絲發(fā)光的輻射熱、熱傳導(dǎo)間接產(chǎn)生高溫，但產(chǎn)生的溫度都在可接受的安全范圍，再加上非直接接觸傳導(dǎo)，安全性也相對(duì)較高。但換成LED固態(tài)光源形式的燈具，其熱處理便可能成為新的應(yīng)用安全問題。多數(shù)人會(huì)認(rèn)為L(zhǎng)ED具高能源轉(zhuǎn)換效率、低驅(qū)動(dòng)能源優(yōu)勢(shì)，自然使用安全性較高，但實(shí)際上LED固態(tài)光源為了達(dá)到日常照明的應(yīng)用目的，必須透過加大單組組件的功率去強(qiáng)化單元件的輸出流明，例如燈具廠會(huì)采取多LED組件整合形式加強(qiáng)輸出效果，且多組件同時(shí)運(yùn)行也能改善LED固態(tài)光源光型偏向點(diǎn)光源的問題，讓LED固態(tài)光源技術(shù)的燈具可產(chǎn)生如燈泡般的面光源效果。如果要強(qiáng)化單元件的輸出流明，必須更高的電流，以使LED芯片的PN接面產(chǎn)生更多流明，但更高電流也會(huì)讓單點(diǎn)LED組件的溫度升高、更難處理，甚至為了提高燈具的光型表現(xiàn)、發(fā)光效率而采取多組件并用形式，也會(huì)使LED燈具的高溫問題加劇，讓散熱問題更難處理。綜觀目前LED燈具市場(chǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，多數(shù)LED光源的廠商大多會(huì)先以市場(chǎng)為主導(dǎo)，因?yàn)楦邌蝺r(jià)、高利潤(rùn)，也可以借由技術(shù)差異迅速打入發(fā)展技術(shù)較前衛(wèi)的LED光源市場(chǎng)，例如，針對(duì)室內(nèi)裝潢、情境燈具應(yīng)用的嵌燈、壁燈、吸頂燈就成為L(zhǎng)ED光源燈具較常見的設(shè)計(jì)形式，其替換傳統(tǒng)燈具后的省電效益亦最受相關(guān)業(yè)者關(guān)注。

LED光源燈具必須重點(diǎn)處理的熱管理設(shè)計(jì)，在可能于密閉或半密死循使用的嵌燈、壁燈、吸頂燈產(chǎn)品，形成更嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)，燈具開發(fā)商必須從材料、產(chǎn)品構(gòu)型、主/被動(dòng)散熱機(jī)制、驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)等方面投入更多資源，以避免產(chǎn)品的問題肇生。特別是LED嵌入式燈具體積小，且常采多組件整合，模塊的散熱設(shè)計(jì)難度較高。嵌入式燈具外殼采鋁擠型或散熱片設(shè)計(jì)，可發(fā)揮自體散熱作用。但這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

LED熱管理：NTC持續(xù)運(yùn)行溫度維持LED燈使用安全

若LED燈具沒有搭配足夠的熱管理設(shè)計(jì)，在使用過程中可能會(huì)導(dǎo)致燈具因?yàn)榻?jīng)常性高熱運(yùn)行造成壽命銳減，產(chǎn)生必須頻繁更換故障LED燈具的困擾，嚴(yán)重者甚至可能釀成意外，因運(yùn)行高溫造成線或是周邊裝潢著火燃燒!在產(chǎn)品開發(fā)階段，可運(yùn)用智能型LED燈光控制技術(shù)，透過主動(dòng)式的監(jiān)看LED燈具與整體光源模塊的溫度表現(xiàn)，簡(jiǎn)化裝置的熱管理工作，同時(shí)當(dāng)燈具與周遭溫度上升至區(qū)段時(shí)，燈具必須降低電功率、減少LED亮度輸出，以此提升LED固態(tài)光源燈具的使用安全性。像LED吸頂燈外殼考慮較簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)形式，若燈具本身所使用的驅(qū)動(dòng)器功能較聚焦于電源轉(zhuǎn)換與LED組件驅(qū)動(dòng)，并未內(nèi)嵌溫控微處理器與散熱處理模塊，為避免增加產(chǎn)品原料件的成本，LED燈具可整合 NTC(NegativeTemperatureCoeffient)負(fù)溫度系數(shù)ThermistorSensors電，是成本效益相對(duì)較高的安全設(shè)計(jì)方案。所謂NTC電，其設(shè)置目的是藉由透過電子回去監(jiān)看LED的模塊燈具溫度，透過默認(rèn)溫度警示或是對(duì)應(yīng)自動(dòng)處理驅(qū)動(dòng)狀況，采關(guān)閉LED固態(tài)光源模塊方式，來(lái)提升LED燈具的使用安全，同時(shí)NTC電也能降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。由于NTC電的溫度系數(shù)非常大，因此可以偵測(cè)得知微小的溫度變化表現(xiàn)，被廣泛應(yīng)用于需量測(cè)、控制與補(bǔ)償溫度的相關(guān)電設(shè)計(jì)中，而NTC電在LED光源模塊設(shè)計(jì)中，基本上為量測(cè)LED固態(tài)光源燈具的產(chǎn)品周邊溫度變化，至于量測(cè)狀況會(huì)隨著NTC改變的電壓現(xiàn)況，直接測(cè)得電壓和NTC電的溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系。

當(dāng)NTC和周邊電或整個(gè)模塊溫度提升時(shí)，NTC電的電阻隨即降低，產(chǎn)品可依此相依關(guān)系進(jìn)行相關(guān)安全控制機(jī)制反饋，例如減少LED發(fā)光組件的驅(qū)動(dòng)電流或是直接強(qiáng)制關(guān)閉燈具照明，在燈具溫度問題改善后自動(dòng)回復(fù)照明狀態(tài)，藉此獲得燈具使用的安全性。

監(jiān)控LED燈具溫度亦可導(dǎo)入微控制器 采SMD形式制作的NTCTHERMISTOR 組件

前述NTC電的改善形式，若想達(dá)到更佳的設(shè)計(jì)，搭配MCU進(jìn)行更精密的安全設(shè)計(jì)也是一種相對(duì)務(wù)實(shí)的作法，在開發(fā)項(xiàng)目中，可將LED光源模塊的狀態(tài)區(qū)分為燈光是否正常、燈光是否被關(guān)閉，搭配溫度警示與溫度量測(cè)的程序邏輯判斷，建構(gòu)更為完善的智慧燈具管理機(jī)制。

例如，若出現(xiàn)燈具溫度警示，經(jīng)溫度量測(cè)得知模塊溫度仍在可接受范圍，可維持正常途徑，透過散熱片自然散逸運(yùn)行溫度;而當(dāng)警示告知所測(cè)得溫度已達(dá)需執(zhí)行主動(dòng)散熱機(jī)制的基準(zhǔn)，此時(shí)MCU必須控制散熱風(fēng)扇作動(dòng)，甚至當(dāng)溫度達(dá)到值，系統(tǒng)必須透過MCU直接關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器供應(yīng)電源，LED組件暫時(shí)停止運(yùn)行，自然進(jìn)行散熱處理。判斷燈具是否使用或關(guān)閉，可用簡(jiǎn)單的判斷位來(lái)做變化與了解產(chǎn)品目前使用狀態(tài)，比較關(guān)鍵的是溫度量測(cè)部分，所量測(cè)的溫度必須實(shí)時(shí)與系統(tǒng)的參照表進(jìn)行比對(duì)，以確認(rèn)目前模塊狀態(tài)的正常或異常程度，計(jì)算出溫度間距后，自動(dòng)對(duì)應(yīng)進(jìn)行溫控管理。同樣的，當(dāng)溫度進(jìn)入?yún)^(qū)段時(shí)，控制機(jī)制應(yīng)隨即關(guān)閉燈源，同時(shí)在系統(tǒng)關(guān)閉后60秒或180秒后再次進(jìn)行溫度確認(rèn)，待LED固態(tài)光源模塊溫度達(dá)正常值，再重新驅(qū)動(dòng)LED光源，繼續(xù)提供照明。