淺析LED燈具的散熱設(shè)計(jì)

鄒華德

摘 要：目前市場(chǎng)上最流行的燈具無(wú)疑是LED燈具，LED燈具不僅使用光效好，使用壽命長(zhǎng)，更由于改變了傳統(tǒng)的金屬汞的使用，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。由于這些優(yōu)勢(shì)，LED燈具得到廣泛的應(yīng)用，而所有的電器都不可避免的要面對(duì)一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)——散熱設(shè)計(jì)。就LED燈具的散熱設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析。

關(guān)鍵詞：LED燈具 節(jié)能降耗 散熱 使用壽命

中圖分類(lèi)號(hào)：TN312.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）008-122-02

LED即是物理學(xué)上所稱(chēng)的發(fā)光二極管，最早誕生于20世紀(jì)60年代，最初的時(shí)候是一種單色光源。經(jīng)過(guò)70年的發(fā)展，LED技術(shù)已處于一個(gè)比較成熟的階段。LED的產(chǎn)品也更加豐富多彩，典型的應(yīng)用就是LED背光模塊和LED照明等大功率應(yīng)用。由于LED具有效率高、壽命長(zhǎng)、省能源、不易破損、環(huán)保無(wú)汞等傳統(tǒng)光源無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。因此，LED燈具被譽(yù)為21世紀(jì)的照明新光源，世界各國(guó)紛紛對(duì)LED燈具進(jìn)行不斷的研究改進(jìn)和推廣。因而它被廣泛應(yīng)用于我們的生活之中。而電器都有一個(gè)通病，就是其散熱的性能，電器在工作的時(shí)候都會(huì)產(chǎn)生熱量。如果無(wú)法將這些熱量有效的排出去，就會(huì)影響其工作效率，嚴(yán)重的甚至?xí)驗(yàn)楦邷囟鵁龤щ娖?。LED燈具的散熱是一個(gè)技術(shù)上的瓶頸問(wèn)題，研究表明，目前大功率LED燈具只有20%能轉(zhuǎn)化成光，而剩下的80%都轉(zhuǎn)化為熱量了，如果不能有效的將這些熱量排出去，就會(huì)降低燈具的發(fā)光效率，縮短LED燈具預(yù)期的使用壽命，嚴(yán)重的甚至損壞燈具，讓燈具“當(dāng)場(chǎng)喪命”。

1 LED燈具的散熱設(shè)計(jì)

LED的散熱效果直接影響著燈具的使用壽命。據(jù)美國(guó)的相關(guān)研究表明，溫度每下降10℃，則燈具工作的發(fā)光效率可以提升3%-8%，其使用壽命也將延長(zhǎng)2倍。熱量的影響就使得其生產(chǎn)廠商在研究LED燈具的時(shí)候一直把LED燈具的散熱作為一個(gè)研究重點(diǎn)。LED燈具的散熱效果也主要受兩方面的影響，第一個(gè)是本身材質(zhì)的影響，另一方面就是燈具的散熱設(shè)計(jì)。LED封裝的散熱設(shè)計(jì)主要分為一次散熱設(shè)計(jì)和二次散熱設(shè)計(jì)。

（1）LED燈具的一次散熱。一次散熱設(shè)計(jì)一般是由生產(chǎn)工藝確定，它先由LED的一次散熱設(shè)計(jì)芯片和散裝的散熱，然后由生產(chǎn)工藝階段確定兩者的設(shè)計(jì)，這樣就可以初步的實(shí)現(xiàn)散熱和導(dǎo)熱效果。

（2）LED燈具的封裝。一次散熱設(shè)計(jì)之后便是對(duì)燈具進(jìn)行封裝，燈具的封裝是一項(xiàng)比較復(fù)雜的工藝，需要對(duì)焊點(diǎn)、絕緣層、金線(xiàn)、健合層、封裝透鏡、LED芯片、電極、內(nèi)部沉熱各個(gè)方面基礎(chǔ)知識(shí)及封裝的結(jié)構(gòu)有著熟練的掌握。封裝透鏡材料幾乎是不導(dǎo)熱的，其作用是將芯片的光輸出進(jìn)行分配和取出，芯片的熱量 主要由內(nèi)部熱沉導(dǎo)出后再通過(guò)外部散熱器進(jìn)行散熱，因此LED封裝的的一次散熱設(shè)計(jì)就是針對(duì)其使用的要求和條件，通過(guò)內(nèi)部熱沉的科學(xué)設(shè)計(jì)將芯片產(chǎn)生的高熱有效地導(dǎo)出并傳導(dǎo)給散熱器。

（3）LED燈具的二次散熱。有些LED燈具尤其是一些已經(jīng)商品化的大功率LED，它們?cè)谝淮紊嵩O(shè)計(jì)的時(shí)候便已將芯片固定好，并且再使用的時(shí)候不能再修改，而其散熱效果并不好。這個(gè)時(shí)候就需要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行二次散熱設(shè)計(jì)。二次散熱的設(shè)計(jì)流程是：先計(jì)算熱阻和結(jié)溫，對(duì)比計(jì)算結(jié)果是否滿(mǎn)足散熱要求，如果滿(mǎn)足散熱要求則直接輸出設(shè)計(jì)結(jié)果；如果不滿(mǎn)足散熱要求則要檢查問(wèn)題的原因，最主要的是檢查設(shè)計(jì)散熱器是否滿(mǎn)足散熱要求，然后對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后再輸出設(shè)計(jì)結(jié)果。分析LED二次散熱設(shè)計(jì)的熱阻網(wǎng)絡(luò)流程可以表述為：LED的內(nèi)部熱沉通過(guò)粘結(jié)層將熱量傳遞給金屬線(xiàn)路板，再由線(xiàn)路板通過(guò)粘結(jié)層傳遞給散熱器，散熱器將熱量通過(guò)熱阻。

（4）LED燈具設(shè)計(jì)的芯片基板選擇。通過(guò)對(duì)LED散熱的方案和機(jī)理的研究分析我們可以知道，在LED燈具中影響散熱的因素主要是芯片基板、散熱基板（系統(tǒng)電路板）、均溫板、粘結(jié)層和散熱裝置等。目前LED燈具使用的芯片基板主要是陶瓷基板，因?yàn)檫@種基板的散熱性能比較良好；同時(shí)，它還具有膨脹系數(shù)低、耐熱、耐潮、絕緣等特性，還能夠減低因熱應(yīng)力而產(chǎn)生的變型。

2 LED燈具的其他散熱方式

（1）風(fēng)扇散熱，風(fēng)扇散熱就是利用小型風(fēng)扇產(chǎn)生空氣對(duì)流驅(qū)散熱量，這也是大多數(shù)電器設(shè)備常用的散熱方式，如計(jì)算機(jī)CPU風(fēng)扇、冷氣、汽車(chē)等等。

（2）電磁噴流散熱，這種方式是在電器結(jié)構(gòu)中采用一種薄膜空腔體，利用電磁驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生動(dòng)力而使薄膜上下震動(dòng)，最終產(chǎn)生空氣對(duì)流，從而促使空氣對(duì)流，其原理同風(fēng)扇類(lèi)似。

（3）熱量交換散熱，這種方式一般是采用散熱鰭片及電路板等元件與空氣接觸的方式，當(dāng)電器工作產(chǎn)生熱量的時(shí)候，利用這些熱氣與空氣密度的差異實(shí)現(xiàn)熱量的交換，最終達(dá)到散熱的目的。

雖然目前LED燈具有很多種散熱方式，但它的散熱原理主要是熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流兩種，有很多廠家也在不斷的研究新的散熱方式，并有一些廠商宣稱(chēng)其LED燈具可以利用熱輻射進(jìn)行散熱，其原理是利用陶瓷散熱基板而采用遠(yuǎn)紅外線(xiàn)型式將熱輻射散出，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳熱，并宣稱(chēng)可用于取代LED芯片基板后端的導(dǎo)熱金屬（散熱鰭片、金屬燈殼），達(dá)到成功散熱和減輕燈具重量的成效。雖然這一技術(shù)還存在諸多可疑之處，但是這種設(shè)計(jì)不得不說(shuō)是一種散熱設(shè)計(jì)的一種新的突破，如果這一設(shè)計(jì)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)，必將使LED燈具的散熱技術(shù)實(shí)現(xiàn)一個(gè)新的突破。

3 LED燈具散熱器的問(wèn)題

散熱設(shè)計(jì)是眾多LED燈具廠商一直在不斷探索改進(jìn)的項(xiàng)目，目前對(duì)于散熱器的設(shè)計(jì)也是各式各樣?？傮w來(lái)講，LED燈具的散熱設(shè)計(jì)比較良好。然而還存在著很多細(xì)節(jié)方面的問(wèn)題。比如很多投入市場(chǎng)的LED燈具在散熱設(shè)計(jì)的過(guò)程中忽視了熱傳導(dǎo)的均溫性，即散熱鰭片的溫度分布嚴(yán)重不均勻，這就局限了散熱器發(fā)揮散熱作用的能力，不僅損耗了電能，散熱效果也達(dá)不到預(yù)期的效果，甚至無(wú)法發(fā)揮散熱效果。還有些散熱設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，比如說(shuō)LED路燈通常裝設(shè)于8～12米的桿高，這個(gè)高度就要求了LED路燈設(shè)計(jì)必須將重心設(shè)計(jì)好，而很多散熱器在設(shè)計(jì)的時(shí)候只顧著散熱效率，忽視了其重心位置。一旦重心位置設(shè)計(jì)不佳，投入使用后的路燈如果遭遇了大風(fēng)或者地震就可能導(dǎo)致意外情況發(fā)生。

4結(jié)束語(yǔ)

LED燈具的散熱效果直接關(guān)聯(lián)著燈具工作時(shí)的溫度，而其工作時(shí)的溫度又嚴(yán)重影響著LED燈具的發(fā)光效果和使用壽命，所以說(shuō)，LED燈具的散熱設(shè)計(jì)在LED燈具的設(shè)計(jì)中尤為重要，尤其是對(duì)那些大功率LED照明燈具。在LED燈具的散熱設(shè)計(jì)中要一定要嚴(yán)格控制各個(gè)環(huán)節(jié)，從LED芯片封裝的一次、二次散熱人手，到 LED燈具所采取的散熱設(shè)計(jì)方案為止，對(duì)每一項(xiàng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)研究分析，從材質(zhì)的選擇和設(shè)計(jì)兩個(gè)方面綜合提高LED燈具的散熱效果。這不僅是LED燈具廠商提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)下脫穎而出的有效手段。同時(shí)更是在為人們改善生活質(zhì)量，并促進(jìn)我國(guó)節(jié)能環(huán)保型社會(huì)發(fā)展。

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