高功率LED過熱會對芯片的使用壽命產生巨大影響。因此，此類芯片的制造商建議采用熱管理技術將器件的工作溫度保持在建議的最大值以下。

一種技術是將大體積的鋁制或銅制散熱器連接到照明組件，但這會增加顯著的費用和重量并占用空間。修改安裝LED的印刷電路板（PCB）可以改善熱管理，從而可以使用更小和更便宜的散熱器（甚至可以消除低于5 W的LED）。

LED封裝熱阻

將LED的結溫從75°C加倍到150°C可將其壽命縮短70％以上（圖1：曲線族代表不同的環境溫度，Tair）。更糟糕的是，在給定的正向電壓和正向電流下，升高的溫度會降低器件的光輸出。

圖1：隨著結溫的升高，大功率LED壽命降低。 （禮貌：Cree。）

LED照明工程師必須考慮熱管理策略。添加散熱器會有所幫助，但設計人員應首先考慮對PCB進行相對便宜的修改以改善散熱。

LED結溫可以使用以下公式計算：

Tj = Tair +（Rth ja x Pd）

其中：

Tj =結溫（°C）;

Tair =環境溫度溫度（°C）;

Rth j-air = LED結與環境之間的熱阻（°C/W）;

Pd = LED消耗的功率=正向電壓（Vf）x正向電流（If） （V x A）。

該公式表明，對于在給定環境溫度下運行的設備，降低熱阻會降低溫度。簡單地說，通過提供散熱的路徑，芯片可以保持冷卻。

LED照明組件的熱阻是從結點到外界的熱路徑中不同材料的熱阻之和。讓我們假設一個單獨的散熱器不是設計的一部分;相反，PCB將成為唯一的熱量損失設備。

因此，組件的總熱阻為：

Rth j-air = Rth j-sp + Rth sp-pcb

其中：

Rth j-sp = LED結點與之間的熱阻PCB上的LED安裝焊盤;

Rth sp-pcb =焊盤與PCB底面之間的熱阻。

Rth j-sp由制造商提供的芯片封裝決定。圖2顯示了Cree XLamp XP LED的封裝，表1詳細說明了其熱阻，單位為°C/W.雖然設計工程師無法直接控制Rth j-sp，但其價值因制造商而異，并且在選擇大功率LED時需要考慮的重要數字。例如，歐司朗提供其OSTAR系列，其中包括Rth j-sp約為5°C/W的高功率白光LED。

圖2：Cree XLamp XP LED封裝。

表1：Cree XLamp LED的典型熱阻（°C/W）值。

降低PCB熱阻

FR-4是迄今為止最常見的PCB基板，是一種阻燃玻璃纖維增強環氧樹脂層壓板。這使得它成為一種堅固，剛性，易于加工的材料，用于制造電路板，但是導熱性差。為了證明FR-4的熱性能有多糟糕，讓我們用下面的公式計算它的熱阻：

Rth sp-pcb = l/（kx A）［1］

其中：

l = FR-4厚度（m）;

k =導熱系數（W/mK）;

A =熱源垂直面積。

舉例說明LED的導熱墊安裝在PCB上的焊盤上，尺寸為10 x 10 mm，厚度為1.6 mm，熱導率為0.2 W/mK，熱阻為80°C/W。 （請注意，這種計算是近似值，因為它沒有考慮LED和PCB之間界面的導電性，散熱，對流熱阻或邊界條件。）

這是一個非常高的熱阻，會可能導致高功率LED快速過熱。

但是有一個相對簡單的修改可以顯著改善這種情況。在LED焊盤安裝座下方的PCB上添加所謂的熱通孔（圖3）可降低基板的熱阻。這種技術更具成本效益，因為在PCB制造過程中通常會將許多過孔作為電路元件進行鉆孔 - 因此在設計中添加更多過孔會帶來最小的額外成本。

圖3：帶有熱過孔的FR-4橫截面（不按比例）。 （禮貌：Cree）

為了獲得最佳效果，LED制造商推薦一系列散熱孔，位于LED散熱墊正下方，垂直于LED導熱墊。這通過提供多個協同工作的熱路徑以及限制熱量擴散到PCB的其余部分來最小化電阻。

除了優化幾何外，熱過孔的功效還取決于它們的結構。例如，如果通孔是空心的，則它們具有比填充有固體銅，焊料或導電環氧樹脂的通孔更高的熱阻。考慮一個典型的0.6毫米直徑的焊料填充焊料（通常在鍍銅的通孔通過焊接機時發生）。

與LED導熱墊垂直的直徑為0.6毫米的區域為0.28mm2。焊料的導熱率約為58 W/mK。使用公式［1］，這種通孔在1.6mm厚的PCB中的熱阻為97.5°C/W.

每個單獨的通孔似乎都不會影響散熱，但總的來說，LED的導熱墊下面有多個過孔，過孔會影響溫度。例如，如果陣列包括五個熱通孔，則與熱源垂直的面積增加五倍，因此組合的熱阻降至19.5W/K.

當考慮FR-4的附加熱阻時，計算將完成，因為大部分焊盤區域仍然由FR-4組成。

為了使計算保持相對簡單，假設過孔和FR-4的熱阻再次并行。然后可以通過以下公式計算熱阻：

Rth = 1/（1/Rth via + 1/Rth FR-4）

結果是15.7°C/W，或比FR-好80％僅4。 （注意：此計算忽略了計算FR-4熱阻時過孔占據的焊盤區域）。

這是一個簡化的案例，假設PCB的下側保持在合理的環境溫度下。實際上，可能需要額外的散熱器來從下側散熱。通過向PCB添加熱過孔并降低基板的熱阻，可以指定比其他方式所需的更小，更便宜的散熱器。