一般而言，LED的结温与发光效率是两组对立的数值，当结温增加，发光效率也会持续降低。以实验室的数据取一般LED为例作为参考，当结温持续自室温提升到100℃时，发光效率将持续减低，最高可减少70%左右。如果取白光、蓝光、红光与黄光几种常见LED产品进行评估，会发现黄光LED受热造成的光衰现象更为明显。

同时，若将关注焦点转移至使用寿命进行微观检视，在测试数据中可以很明显地发现在70℃高温上下运行时，LED的使用寿命即有75%衰退状况。若要让LED光源能达到最佳化的应用表现，不管是发光效率的提升还是使用寿命的延长，LED散热设计就成为了相当重要的关键技术。

1.大功率LED的散热问题

散热对于大功率LED是至关重要的，如果不能将电流产生的热量及时的散出，保持PN结的结温度在允许范围内，将无法获得稳定的光输出和维持正常的器件寿命。常用的散热材料中银的导热率最好，但是银导散热板的成本较高，不适宜做通用型散热器。而铜的导热率比较接近银，且其成本较银低。铝的导热率虽然低于铜，但其综合成本最低，有利于大规模制造。实验对比发现，较为合适的做法是：连接芯片部分采用铜基或银基热衬，再将该热衬连接在铝基散热器上采用阶梯形导热结构，利用铜或银的高导热率将芯片产生的热量高效传递到铝基散热器，再通过铝基散热器将热量散出（通过风冷或热传导方式散出）。这种做法的优点是：充分考虑散热器的性能价格比，将不同特点的散热器结合在一起做到高效散热，并且成本控制合理化。

值得注意的是，连接铜基热衬与芯片之间的材料选择是十分重要的，LED行业常用的芯片连接材料为银胶。但是经过研究发现，银胶的导热系数极高，为10～25W/m·K，如果采用银胶作为连接材料，就等于人为地在芯片与热衬之间加上了一道热阻。另外，银胶固化后的内部基本结构为环氧树脂骨架+银粉填充式导热导电结构，这样的结构热阻极高，且T_g点较低，对器件的散热与物理特性稳定极为不利。解决此问题的做法是：以锡片焊作为芯片与热衬之间的连接材料（锡的导热系数为67W/m·K），可以取得较为理想的导热效果（热阻约为16℃/W）。锡的导热效果与物理特性远优于银胶。不同材料的导热系数见表2-19。

表2-19 不同材料的导热系数

2.大功率LED散热设计

目前，很多功率型LED的驱动电流达到350mA、700mA甚至1A，这将会引起芯片内部热量聚集，导致发光波长漂移、出光效率下降、荧光粉加速老化以及使用寿命缩短等一系列问题。业内已经对大功率LED的散热问题作出了很多的努力：通过对芯片外延结构进行优化设计，使用表面粗化技术等提高芯片内外量子效率，减少无辐射复合产生的晶格振荡，从根本上减少散热组件负荷；通过优化封装结构、材料，选择使用以铝基为主的金属芯印制电路板（MCPCB）、陶瓷、复合金属基板等方法，加快热量从外延层向散热基板散发。多数厂家还在高性能要求场合中使用散热片，依靠强对流散热等方法促进大功率LED散热。尽管如此，单个LED产品目前也仅处于1～10W级的水平，散热能力仍待提高。相当多的研究将精力集中于寻找高热导率热衬与封装材料，然而当LED功率达到10W以上时，这种关注遇到了相当大的阻力。即使施加了风冷强对流方式，牺牲了成本优势，也未能获得令人满意的变化。

寻找影响LED散热的关键因素的研究方法为有限元热分析法，该方法已有实验验证了LED有限元模型与其真实器件之间的差别，证明其在误差许可范围内是准确可行的。

（1）散热设计方法

通常LED是采用散热器自然散热，散热器的设计分为三步：

1）根据相关约束条件设计外轮廓图。

2）根据散热器的相关设计准则对散热器齿厚、齿的形状、齿间距、基板厚度进行优化。(www.daowen.com)

3）进行校核计算。

（2）自然冷却散热器的设计方法

考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果齿间距太小，两个齿的热边界层易交叉，影响齿表面的对流，所以一般情况下，自然冷却的散热器齿间距大于12mm，如果散热器齿高低于10mm，可按齿间距大于等于1.2倍齿高来确定散热器的齿间距。

自然冷却散热器表面的换热能力较弱，在散热齿表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响，所以散热齿表面不加波纹齿。自然对流散热器的表面一般采用发黑处理，以增大散热表面的辐射系数，强化辐射换热。由于自然对流达到热平衡的时间较长，所以自然对流散热器的基板及齿厚应足够，以抗击瞬时热负荷的冲击，应大于5mm。

（3）散热片的要求

1）外形与材质。如果成品密封要求不高，可与外界空气环境直接发生对流，应采用带鳍片的铝材或铜材散热片。

2）有效散热表面积。对于1W的大功率白光LED（其他颜色基本相同）的散热片的有效散热表面积总和应在50～60cm²。对于3W产品推荐散热片有效散热表面积总和大于等于150cm²，更高功率的视情况和试验结果增加，尽量保证散热片温度不超过60℃。

3）连接方法。大功率LED基板与散热片连接时应保证两接触面平整，接触良好。为加强两接触面的结合程度，应在LED基板底部或散热片表面涂敷一层导热硅脂（导热硅脂的导热系数大于等于3.0W/m·K）。导热硅脂要求涂敷均匀、适量，再用螺钉压合固定。

（4）PCB背面加散热片

若计算出来的T_j比设计要求的T_jmax大得多，而且在结构上又不允许增加面积时，可考虑将PCB背面粘在“U”形的铝型材上（或铝板冲压件上），或粘在散热片上。U形铝型材如图2-60所示。这两种方法是在多个大功率LED的灯具设计中常用的。例如，上述计算举例中，在计算出T_j=103℃的PCB背后粘贴一个10℃/W的散热片，其T_j可降到80℃左右。

图2-60 U形铝型材

这里要说明的是，上述T_C是在室温条件下测得的（室温一般在15～30℃）。若LED灯具使用的环境温度T_a大于室温时，则实际的T_j要比在室温测量后计算的T_j要高，所以在设计时要考虑这个因素。若测试时在恒温箱中进行，其温度调到使用时最高环境温度为最佳。另外，PCB是水平安装还是垂直安装，其散热条件不同，对测T_C有一定影响，灯具的外壳材料、尺寸及有无散热孔对散热也有影响。因此，在设计时要留有余地。