大功率LED模組的熱管理設(shè)計(jì)，是保障其長期穩(wěn)定性與高效運(yùn)行的核心要素。以下是一套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路以及關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)：

溫度管控：需將結(jié)溫（Tj）控制在器件規(guī)格所允許的范圍內(nèi)，通常要低于120℃。因?yàn)闇厣?/span>10℃，光效會下降3 - 5%，壽命則會減半，所以要嚴(yán)格避免光效衰減和壽命縮短的問題。

均溫表現(xiàn)：應(yīng)盡可能減少芯片間的溫度梯度，防止出現(xiàn)局部熱點(diǎn)情況。

熱路徑優(yōu)化：要實(shí)現(xiàn)從芯片到環(huán)境的高效熱傳導(dǎo)，確保熱量能夠及時(shí)散發(fā)出去。

2.1 基板材料

陶瓷基板：

Al?O?（氧化鋁）：成本相對較低，約0.5 - 1元/cm2，導(dǎo)熱系數(shù)在24 - 28 W/(m·K)之間，適用于中低功率場景。

AlN（氮化鋁）：導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)170 - 230 W/(m·K)，不過成本較高，為3 - 5元/cm2，適合高功率密度場景（>10 W/mm2）。

金屬基板（MCPCB）：以鋁基板為例，其導(dǎo)熱系數(shù)為1 - 3 W/(m·K)，結(jié)合絕緣層使用。雖然成本較低，但需要對絕緣層的熱阻進(jìn)行優(yōu)化。

2.2 散熱結(jié)構(gòu)

被動散熱：

翅片散熱器：主要依靠自然對流來實(shí)現(xiàn)散熱。其中，翅片高度與間距比（通常在5:1 - 10:1之間）以及表面黑度（可通過陽極氧化處理提升輻射率）是關(guān)鍵因素。

熱管/均溫板：利用相變傳熱原理，熱導(dǎo)率能夠達(dá)到5000 W/(m·K)，非常適合用于消除局部熱點(diǎn)。

主動散熱：

風(fēng)扇強(qiáng)制對流：風(fēng)量需要與散熱器的風(fēng)阻相匹配，典型風(fēng)量為0.1 - 0.5 CFM/W。

液冷系統(tǒng)：微通道冷板（水冷）可以處理>100 W/cm2的熱流密度，但整個(gè)系統(tǒng)較為復(fù)雜。

導(dǎo)熱硅脂：熱阻在0.1 - 0.5 ℃·cm2/W之間，但需要注意的是，長期使用后會出現(xiàn)老化導(dǎo)致干涸的問題。

相變材料（PCM）：熱阻為0.05 - 0.2 ℃·cm2/W，在45 - 60℃時(shí)會發(fā)生相變，從而填充空隙。

導(dǎo)熱墊片：屬于彈性材料，硬度在Shore 00 30 - 50之間，能夠補(bǔ)償裝配公差，熱阻在0.3 - 1.0 ℃·cm2/W之間。

仿真工具：

可使用ANSYS Icepak或FloTHERM來建立三維模型，重點(diǎn)關(guān)注熱阻網(wǎng)絡(luò)（從結(jié)到環(huán)境的總熱阻θ_ja）。

對翅片厚度、間距等參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化分析，研究其對換熱系數(shù)的影響（自然對流換熱系數(shù)約5 - 10 W/(m2·K)）。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：

紅外熱成像：通過該技術(shù)可以精準(zhǔn)定位熱點(diǎn)區(qū)域，測量精度為±2℃。

結(jié)溫測量：采用正向電壓法（Vf - Tj系數(shù)約 -2 mV/℃）進(jìn)行校準(zhǔn)。

驅(qū)動電流優(yōu)化：當(dāng)Tj > 85℃時(shí)，啟動電流降額措施，例如每℃降幅為0.5%。

光學(xué)匹配：借助二次光學(xué)設(shè)計(jì)，減少無效發(fā)熱情況，如使反射杯效率>90%。

結(jié)構(gòu)布局：

多芯片模組采用交錯(cuò)排布方式，且間距≥3 mm，以此降低相互熱耦合。

電源驅(qū)動電路與LED進(jìn)行物理隔離，減少熱源疊加。

加速老化測試：

在85℃/85%RH的條件下進(jìn)行1000小時(shí)的測試，要求光衰應(yīng)<5%。

開展溫度循環(huán)測試（ -40℃ - +125℃，100次循環(huán)），檢驗(yàn)材料的CTE匹配情況。

失效模式分析：

針對焊點(diǎn)疲勞（柯肯達(dá)爾空洞）問題，可通過采用Sn - Ag - Cu焊料來改善。

對于熒光粉碳化問題，需要控制藍(lán)光芯片表面溫度<150℃。

分級散熱設(shè)計(jì)：

低功率段（<50W）：采用鋁基板結(jié)合自然對流的方式進(jìn)行散熱。

中功率段（50 - 200W）：運(yùn)用熱管與強(qiáng)制風(fēng)冷相結(jié)合的散熱方案。

高功率段（>200W）：考慮使用液冷或半導(dǎo)體制冷的方式。

模塊化設(shè)計(jì)：允許在后期擴(kuò)展散熱能力，例如預(yù)留風(fēng)扇接口等。

示例方案：200W LED模組

基板：選用AlN陶瓷，尺寸為40mm×40mm，厚度為1mm。

散熱器：采用6063鋁合金翅片，尺寸為200mm×150mm×50mm，表面進(jìn)行發(fā)黑處理。

TIM：使用石墨烯填充相變材料，厚度為0.2mm。

熱阻：θ_jc = 0.8℃/W，θ_ca = 1.2℃/W，由此可得θ_ja = 2.0℃/W。

溫升：ΔT = 200W×2.0℃/W = 40℃，在環(huán)溫為25℃時(shí)，Tj = 65℃。

通過多物理場協(xié)同設(shè)計(jì)以及全生命周期的熱管理，能夠?qū)崿F(xiàn)LED模組光效>150 lm/W、壽命>50,000小時(shí)（L70標(biāo)準(zhǔn)）的工業(yè)級性能。具體參數(shù)還需結(jié)合光學(xué)、電氣設(shè)計(jì)進(jìn)行迭代優(yōu)化。