图 7 带热电偶的Oslon型LED 图8 带热电偶的Ostar-SMT型LED 为了测量PCB底部对称轴的温度Tbot以及周围的温度Tamb（在元件下12.7mm处，如图6），我们将使用K型号的热电偶。这样将可以得到PCB板上热量的垂直传导信息，以及侧面热扩散带来的影响。
表 4
LED类型 Oslon Golden Dragon Ostar-SMT 正向电流 140mA 350mA 700mA 名义上正向电压 2.15V 2.15V Ca.12.5V 典型节点到焊点热阻 30K/W 6.5K/W 3.1K/W 结果讨论
节温Tj由测试点温度Tpad和节点到焊点的温度Rth,J-S决定，Rth,J-S数据如表4所示。公式如下：
Tj=Tpad+Rth,J-S·Ploss （1） 能量损失Ploss假设为电源能量的80%。
与热特性有关的进一步参数由测试点到底部的热阻决定。
（2）
测试点到周边的热阻为：
（3）
在下列3个柱形图（图9至图11）和邻近的表格（表5至表7）中，各实验组的热特性将以热阻和节温的形式进行比较，热阻和节温由公式（1）至（3）确定。
显而易见，DK2型板各参数值最高。然而，可以看出，当焊盘（Oslon: ~ 8.4 W/cm2
2
和Golden Dragon: ~ 4.8 W/cm）的散热密度适中且器件无需经受周围高温时，DK2板的性能令人满意。
图 9 实验所得热阻与节温：LED类型：Oslon
表格 5
Oslon-H Rth,pad-bot in K/W Rth,pad-amb in K/W Tjunction in ℃ DK2 22.3 177.9 68 DK7 8.5 14.9 35 IMS 3.5 8.2 35
图10 实验所得热阻和节温；LED类型：Golden Dragon
表 6
Golden Dragon DK2 DK7 IMS Rth,pad-bot in K/W 7.1 3.0 0.2 Rth,pad-amb in K/W 79.0 8.3 6.8 Tjunction in ℃ 78 33 32 值得注意的是，通过直接安装在板底部的热沉，在DK2型板上，Golden Dragon型LED的节温可以更低。通过比较DK2型板和IMS型板的节温，我们可以证实，这样的热沉具有很强大的作用，其中DK2型板和IMS型板都具有1.5毫米的薄铝板。
图11 实验所得热阻和节温；LED类型：Ostar-SMT
表 7
Ostar-SMT Rth,pad-bot in K/W Rth,pad-amb in K/W Tjunction in ℃ DK2 - - - DK7 11.1 15.0 151 IMS 2.3 8.1 107 根据应用要求，热沉和周边的最大温差应达到20K左右。可以用热性能已改进好的板来代替热沉。由于铝板强大的散热能力，我们可以看出，DK7和IMS型板的节温由明显的下降。
在本次实验中，在名义上的工作条件下（初始电流700mA，4个芯片的总功率为8.75W），当使用Ostar-SMT时，DK2型板不得不被抛弃——由于在有限的温度范围内，无法测量其稳态热特性。由于DK7型板焊盘到底部的热阻高达10K/W的，所以对于散热
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密度高达40W/cm的情况，DK7型板并不适合使用。因为，这会使得温度场中，在LED附近局部温度过高，温度梯度过大，如图所示（图12，为了避免传输损失，本次试验已移除Ostar-SMT的玻璃保护涂层）。当测试点温度达到130度时，将触发记录。此图的发射率并非完全正确，因此可以较好的识别出热测试点的金属结构，导热孔的位置，以及引脚路径。
至此，使用IMS板，焊盘到底部的热阻最小（大约是DK7型板的七分之一）。按照如图6所示的，在水平位置上，使用自然对流边界条件时，表7中107℃的节温是相当高的。这将使整个板处于一个高温状态。焊盘和底部之间的温差仅为16K。即使是在高热载荷的作用下，如果能使焊盘覆在冷盘上，并保持底部温度为25℃左右，IMS型板仍可以使节温低于65℃。
图13所示为15分钟后稳态热分布图。在与DK7型板的热分布图（如图12）做比较之后，我们可以清晰的看出位于LED中心的峰值温度以及侧部温度梯度低得很明显。为了测量水平方向沿Lx上的发热情况，通过假设发射系数均为1，Lx会被记录和转换成温度。图14所示为同位置扫描而得的水平线的比较。
图 12 五分钟后DK7型板上Ostar-SMT的热影像（输入功率如表4）
图13 稳定状态下（通电后15分钟）IMS型板上Ostar-SMT的热影像
图14 在图12和图13的“Lx”的线扫描比较（不纠正发射率）
横坐标刻度为像素；长度已调整为匹配热分布图（图12和图13）的大小。
我们将研究从室温（25℃）开始，工作后名义上的电源的动态热特性。为此，在温度上升的最初10秒，将记录4个点（P1到P4）的温度，这4个点分别位于各个LED芯片的中间。额外测试点（P5）位于热电偶上。Ostar-SMT覆在DK7型板和作为参照IMS型板上，通过它可以得到区别清晰的温度曲线：温度上升10秒后，DK7型板的温度明显高于IMS型板。此外，DK7型板达到此温度的80%所需的时间为3秒，但比IMS型少0.5秒。从LED到铝板的热传导性能，IMS型板远远优于DK7型板，可由此解释出，两种板温度上升曲线的不同以及达到10秒温度80%所需时间不同的原因。
总结
LED技术在过去5年里突飞猛进，由于LED具有众多优点，如色彩的灵活性、强度分配、灯具设计、相比于白炽灯的节能性能，所以未来的照明技术将离不开LED技术。然而，由于半导体LED芯片的温度敏感性需要通过先进的热设计来尽量降低温度，从而达到预期的寿命。为了使PCB在低温差下能充分散热，PCB技术的设计与创新是十分必要的。
在本文中，我们通过实验比较使用不同大功率LED的不同类型PCB实验板的热特性。各种PCB/LED组合的热特性通由在稳态特性下的两种热阻和LED节温进行评估。通过对微型热电偶的温度测量以及假设发光效率为20%，从何得出热阻大小。此外，通过记录热分布图，对LED邻近部位的热分布状况进行了分析。
根据研究，我们发现，基于PCB先进热设计的常规环氧玻璃纤维，在低能量损耗到数瓦特的损耗时，能满意的解决散热问题。然而，在大能量耗损时，绝缘金属基底被证明具有优良的热性能，而且，在能量耗损密度达40W/CM时，也能成功的散热。
