淺談大功率LED燈具的散熱結構設計

張甫江

摘 要：相比于日光燈、白熾燈等傳統(tǒng)光源，發(fā)光二極管LED以省電、環(huán)保、壽命長、全固態(tài)、體積小等優(yōu)點被稱為照明綠色光源。隨著取出熒光粉量子效率以及芯片封裝制造技術的不斷提升，從性能與結構上來看，LED取得了不小進步。文章探討大功率LED燈具散熱結構設計，希望能在日常照明及汽車照明等諸多領域得到推廣與應用。

關鍵詞：LED燈具 ?大功率 ?普通照明 ?互通式散熱結構

中圖分類號：TN305 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（c）-0036-01

LED技術獨特的優(yōu)勢給照明領域帶來日新月異的變化，而大功率LED燈具照明也越來越多地被使用。但大功率LED照明在給人們帶來便捷生活的同時，也存在一些問題，如該文中要分析的大功率LED燈具散熱問題。大功率LED燈具的使用壽命直接受到其散熱結構的直接影響，可以說在整個燈具散熱問題上，設計散熱器結構是關鍵一環(huán)。

1 大功率LED燈具壽命受溫度影響

對于大功率LED燈具而言，在溫度的影響下，分別在電極引線、環(huán)氧樹脂、芯片等方面發(fā)生失效。電極引線能夠承受很強的震動及電流沖擊，但因環(huán)氧樹脂，在高溫條件下，芯片材料與電極引線的熱膨脹系數不同，產生的變形也不同，導致失效，如發(fā)生引線斷裂等。環(huán)氧樹脂是指分子中含有兩個或兩個以上環(huán)氧基團的有機高分子化合物。為了將LED使用壽命有效提高，所使用的材料必須具有相近的熱系數。

2 LED燈具散熱器

從能量意義上來看，熱其實只是傳遞能量的形式，而并非能量。當外界能量沖擊分子，能量由高能分子傳遞給低能分子，從微觀角度進行分析，能量的傳遞就是熱。而熱量的3種傳遞方式由輻射、對流、熱傳導。除了LED芯片外，LED燈具散熱器接觸導熱良好與否是確保LED燈具穩(wěn)定照明的關鍵因素。因此，對LED散熱器的制作、結構、安裝等工作進行充分考慮是必要的。通過熱對流與熱傳導，LED散熱器將熱量疏散到空氣中，散熱器利用導熱能力的提升與散熱有效面積的增加來提高自身散熱性，以應對LED燈具的正常照明。從上述內容來看，LED散熱器的工作主要是散熱和防護。

3 設計優(yōu)化散熱器

350 mA、700 mA、1 A都是大功率型LED驅動電流，大功率加速熒光粉的老化，降低出光率，LED芯片內部的熱量積聚，這些問題都大大縮減了散熱器壽命。LED最大功率會受封裝結構設計優(yōu)化程度與LED芯片熱沉材料熱導率的高低等的影響。

3.1 LED燈具散熱設計方法的選擇

LED散熱設計通常選用流體動力學軟件仿真，流體的固體邊界和黏性對流體流動的阻力所產生的影響，使流動中的流體受到局部和沿程阻力的干擾，對此，LED散熱器的設計科采用自然散熱的方式，實際需求外輪廓圖可按照相關約束條件進行設計;針對LED燈具散熱器的散熱器基板厚度、散熱齒間距、散熱齒形狀、散熱齒厚度等，按照散熱器相關設計準則進行優(yōu)化設計;最后進行校驗。

3.2 自然冷卻散熱器設計

考慮到自然冷卻時邊界層溫度較厚等情況，若齒之間距離過小，就容易交叉各自的熱邊界，會干擾到齒表面的對流。一般情況下，自然冷卻散熱器間距超過12 mm，如果散熱器齒低于10 mm，散熱器齒間距則應按照齒間距離超過1.2倍齒高的原則決定。發(fā)黑處理自然冷散熱器是為了增強輻射換熱，同時增加散熱器表面輻射系數。要想散熱器能承載瞬時熱負荷，其基板和齒厚應確保超過5 mm的厚度。

4 PCB板加散熱片

在LED芯片電路PCB板的背面附著散熱片（如圖1所示），如鋁板沖壓件等，適用于實際計算結溫超出理論設計上限結溫的情況。圖1中，231為正對于空心柱的散熱鰭片;232為非正對于空心柱的散熱鰭片;25為空心柱;252為外側壁?？招闹乃拿嫱鈧缺诰鶎怀獍l(fā)散的輻射區(qū)域，每個輻射區(qū)域所在的散熱鰭片垂直于該區(qū)域所對應的外側壁，散熱鰭片與空心柱有一距離且在空心柱的外圍形成“井”字形通道，底座是一體成型的。本散熱結構的LED燈，一圈散熱鰭片能夠前后左右互通，其通風效果好，進一步提高了散熱性能。（見圖1）

例如，一旦發(fā)生該情況，在實際計算結溫為103 ℃的PCB背后附著一塊10 ℃/W熱阻的散熱片，那么實際計算結溫可控制在90 ℃以下，確保、延長了大功率LED燈具使用壽命。以燈具總熱阻和總體散熱為前提來設計大功率LED整體散熱方案，要盡量降低總熱阻，需要降低各種不同介質自身熱阻、選用的導熱膠還應具有很高導熱性、以及改變結合導熱膠的各種介質的界面熱阻。

5 結語

高安全性、長壽面、應用靈活、環(huán)保、節(jié)能、高效等是發(fā)光二極管的優(yōu)點，LED技術在不斷的應用與實踐中取得了進步，但LED產品熱量的快速聚集的問題限制了大功率LED發(fā)展，為致力于大功率LED光效及使用壽命的延長等問題，簡要分析大功率LED燈具散熱結構，除了文章中提到的設計外，還應重視散熱片的選擇，散熱片采用帶翅片的鋁材或銅材，在安裝時還應確保基板與燈具散熱片接觸面的結合程度。本文著手大功率LED散熱問題，通過對大功率LED燈具散熱結構分析，將其結構設計進行優(yōu)化，優(yōu)質了大功率LED燈具照明，有效改善散熱，將LED光源芯片所產生的熱量迅速散發(fā)，實現了其經濟效益的提升。

參考文獻

[1] 施曉紅，陳超中，李為軍，等.聚焦LED燈具和LED光源的基本概念[J].中國照明電器，2010（10）：33-36.

[2] 劉衛(wèi)國，宋穎，鄒俊林，等.LED燈模擬作物間作套種群體內光環(huán)境的設計與應用[J].農業(yè)工程學報，2011（8）：288-292.

[3] 鄧欣，涂耘.高壓鈉燈與LED燈在公路隧道中的應用對比分析[J].公路交通技術，2012（6）：114-119.

摘 要：相比于日光燈、白熾燈等傳統(tǒng)光源，發(fā)光二極管LED以省電、環(huán)保、壽命長、全固態(tài)、體積小等優(yōu)點被稱為照明綠色光源。隨著取出熒光粉量子效率以及芯片封裝制造技術的不斷提升，從性能與結構上來看，LED取得了不小進步。文章探討大功率LED燈具散熱結構設計，希望能在日常照明及汽車照明等諸多領域得到推廣與應用。

關鍵詞：LED燈具 ?大功率 ?普通照明 ?互通式散熱結構

中圖分類號：TN305 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（c）-0036-01

LED技術獨特的優(yōu)勢給照明領域帶來日新月異的變化，而大功率LED燈具照明也越來越多地被使用。但大功率LED照明在給人們帶來便捷生活的同時，也存在一些問題，如該文中要分析的大功率LED燈具散熱問題。大功率LED燈具的使用壽命直接受到其散熱結構的直接影響，可以說在整個燈具散熱問題上，設計散熱器結構是關鍵一環(huán)。

1 大功率LED燈具壽命受溫度影響

對于大功率LED燈具而言，在溫度的影響下，分別在電極引線、環(huán)氧樹脂、芯片等方面發(fā)生失效。電極引線能夠承受很強的震動及電流沖擊，但因環(huán)氧樹脂，在高溫條件下，芯片材料與電極引線的熱膨脹系數不同，產生的變形也不同，導致失效，如發(fā)生引線斷裂等。環(huán)氧樹脂是指分子中含有兩個或兩個以上環(huán)氧基團的有機高分子化合物。為了將LED使用壽命有效提高，所使用的材料必須具有相近的熱系數。

2 LED燈具散熱器

從能量意義上來看，熱其實只是傳遞能量的形式，而并非能量。當外界能量沖擊分子，能量由高能分子傳遞給低能分子，從微觀角度進行分析，能量的傳遞就是熱。而熱量的3種傳遞方式由輻射、對流、熱傳導。除了LED芯片外，LED燈具散熱器接觸導熱良好與否是確保LED燈具穩(wěn)定照明的關鍵因素。因此，對LED散熱器的制作、結構、安裝等工作進行充分考慮是必要的。通過熱對流與熱傳導，LED散熱器將熱量疏散到空氣中，散熱器利用導熱能力的提升與散熱有效面積的增加來提高自身散熱性，以應對LED燈具的正常照明。從上述內容來看，LED散熱器的工作主要是散熱和防護。

3 設計優(yōu)化散熱器

350 mA、700 mA、1 A都是大功率型LED驅動電流，大功率加速熒光粉的老化，降低出光率，LED芯片內部的熱量積聚，這些問題都大大縮減了散熱器壽命。LED最大功率會受封裝結構設計優(yōu)化程度與LED芯片熱沉材料熱導率的高低等的影響。

3.1 LED燈具散熱設計方法的選擇

LED散熱設計通常選用流體動力學軟件仿真，流體的固體邊界和黏性對流體流動的阻力所產生的影響，使流動中的流體受到局部和沿程阻力的干擾，對此，LED散熱器的設計科采用自然散熱的方式，實際需求外輪廓圖可按照相關約束條件進行設計;針對LED燈具散熱器的散熱器基板厚度、散熱齒間距、散熱齒形狀、散熱齒厚度等，按照散熱器相關設計準則進行優(yōu)化設計;最后進行校驗。

3.2 自然冷卻散熱器設計

考慮到自然冷卻時邊界層溫度較厚等情況，若齒之間距離過小，就容易交叉各自的熱邊界，會干擾到齒表面的對流。一般情況下，自然冷卻散熱器間距超過12 mm，如果散熱器齒低于10 mm，散熱器齒間距則應按照齒間距離超過1.2倍齒高的原則決定。發(fā)黑處理自然冷散熱器是為了增強輻射換熱，同時增加散熱器表面輻射系數。要想散熱器能承載瞬時熱負荷，其基板和齒厚應確保超過5 mm的厚度。

4 PCB板加散熱片

在LED芯片電路PCB板的背面附著散熱片（如圖1所示），如鋁板沖壓件等，適用于實際計算結溫超出理論設計上限結溫的情況。圖1中，231為正對于空心柱的散熱鰭片;232為非正對于空心柱的散熱鰭片;25為空心柱;252為外側壁?？招闹乃拿嫱鈧缺诰鶎怀獍l(fā)散的輻射區(qū)域，每個輻射區(qū)域所在的散熱鰭片垂直于該區(qū)域所對應的外側壁，散熱鰭片與空心柱有一距離且在空心柱的外圍形成“井”字形通道，底座是一體成型的。本散熱結構的LED燈，一圈散熱鰭片能夠前后左右互通，其通風效果好，進一步提高了散熱性能。（見圖1）

例如，一旦發(fā)生該情況，在實際計算結溫為103 ℃的PCB背后附著一塊10 ℃/W熱阻的散熱片，那么實際計算結溫可控制在90 ℃以下，確保、延長了大功率LED燈具使用壽命。以燈具總熱阻和總體散熱為前提來設計大功率LED整體散熱方案，要盡量降低總熱阻，需要降低各種不同介質自身熱阻、選用的導熱膠還應具有很高導熱性、以及改變結合導熱膠的各種介質的界面熱阻。

5 結語

高安全性、長壽面、應用靈活、環(huán)保、節(jié)能、高效等是發(fā)光二極管的優(yōu)點，LED技術在不斷的應用與實踐中取得了進步，但LED產品熱量的快速聚集的問題限制了大功率LED發(fā)展，為致力于大功率LED光效及使用壽命的延長等問題，簡要分析大功率LED燈具散熱結構，除了文章中提到的設計外，還應重視散熱片的選擇，散熱片采用帶翅片的鋁材或銅材，在安裝時還應確保基板與燈具散熱片接觸面的結合程度。本文著手大功率LED散熱問題，通過對大功率LED燈具散熱結構分析，將其結構設計進行優(yōu)化，優(yōu)質了大功率LED燈具照明，有效改善散熱，將LED光源芯片所產生的熱量迅速散發(fā)，實現了其經濟效益的提升。

參考文獻

[1] 施曉紅，陳超中，李為軍，等.聚焦LED燈具和LED光源的基本概念[J].中國照明電器，2010（10）：33-36.

[2] 劉衛(wèi)國，宋穎，鄒俊林，等.LED燈模擬作物間作套種群體內光環(huán)境的設計與應用[J].農業(yè)工程學報，2011（8）：288-292.

[3] 鄧欣，涂耘.高壓鈉燈與LED燈在公路隧道中的應用對比分析[J].公路交通技術，2012（6）：114-119.

摘 要：相比于日光燈、白熾燈等傳統(tǒng)光源，發(fā)光二極管LED以省電、環(huán)保、壽命長、全固態(tài)、體積小等優(yōu)點被稱為照明綠色光源。隨著取出熒光粉量子效率以及芯片封裝制造技術的不斷提升，從性能與結構上來看，LED取得了不小進步。文章探討大功率LED燈具散熱結構設計，希望能在日常照明及汽車照明等諸多領域得到推廣與應用。

關鍵詞：LED燈具 ?大功率 ?普通照明 ?互通式散熱結構

中圖分類號：TN305 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（c）-0036-01

LED技術獨特的優(yōu)勢給照明領域帶來日新月異的變化，而大功率LED燈具照明也越來越多地被使用。但大功率LED照明在給人們帶來便捷生活的同時，也存在一些問題，如該文中要分析的大功率LED燈具散熱問題。大功率LED燈具的使用壽命直接受到其散熱結構的直接影響，可以說在整個燈具散熱問題上，設計散熱器結構是關鍵一環(huán)。

1 大功率LED燈具壽命受溫度影響

對于大功率LED燈具而言，在溫度的影響下，分別在電極引線、環(huán)氧樹脂、芯片等方面發(fā)生失效。電極引線能夠承受很強的震動及電流沖擊，但因環(huán)氧樹脂，在高溫條件下，芯片材料與電極引線的熱膨脹系數不同，產生的變形也不同，導致失效，如發(fā)生引線斷裂等。環(huán)氧樹脂是指分子中含有兩個或兩個以上環(huán)氧基團的有機高分子化合物。為了將LED使用壽命有效提高，所使用的材料必須具有相近的熱系數。

2 LED燈具散熱器

從能量意義上來看，熱其實只是傳遞能量的形式，而并非能量。當外界能量沖擊分子，能量由高能分子傳遞給低能分子，從微觀角度進行分析，能量的傳遞就是熱。而熱量的3種傳遞方式由輻射、對流、熱傳導。除了LED芯片外，LED燈具散熱器接觸導熱良好與否是確保LED燈具穩(wěn)定照明的關鍵因素。因此，對LED散熱器的制作、結構、安裝等工作進行充分考慮是必要的。通過熱對流與熱傳導，LED散熱器將熱量疏散到空氣中，散熱器利用導熱能力的提升與散熱有效面積的增加來提高自身散熱性，以應對LED燈具的正常照明。從上述內容來看，LED散熱器的工作主要是散熱和防護。

3 設計優(yōu)化散熱器

350 mA、700 mA、1 A都是大功率型LED驅動電流，大功率加速熒光粉的老化，降低出光率，LED芯片內部的熱量積聚，這些問題都大大縮減了散熱器壽命。LED最大功率會受封裝結構設計優(yōu)化程度與LED芯片熱沉材料熱導率的高低等的影響。

3.1 LED燈具散熱設計方法的選擇

LED散熱設計通常選用流體動力學軟件仿真，流體的固體邊界和黏性對流體流動的阻力所產生的影響，使流動中的流體受到局部和沿程阻力的干擾，對此，LED散熱器的設計科采用自然散熱的方式，實際需求外輪廓圖可按照相關約束條件進行設計;針對LED燈具散熱器的散熱器基板厚度、散熱齒間距、散熱齒形狀、散熱齒厚度等，按照散熱器相關設計準則進行優(yōu)化設計;最后進行校驗。

3.2 自然冷卻散熱器設計

考慮到自然冷卻時邊界層溫度較厚等情況，若齒之間距離過小，就容易交叉各自的熱邊界，會干擾到齒表面的對流。一般情況下，自然冷卻散熱器間距超過12 mm，如果散熱器齒低于10 mm，散熱器齒間距則應按照齒間距離超過1.2倍齒高的原則決定。發(fā)黑處理自然冷散熱器是為了增強輻射換熱，同時增加散熱器表面輻射系數。要想散熱器能承載瞬時熱負荷，其基板和齒厚應確保超過5 mm的厚度。

4 PCB板加散熱片

在LED芯片電路PCB板的背面附著散熱片（如圖1所示），如鋁板沖壓件等，適用于實際計算結溫超出理論設計上限結溫的情況。圖1中，231為正對于空心柱的散熱鰭片;232為非正對于空心柱的散熱鰭片;25為空心柱;252為外側壁?？招闹乃拿嫱鈧缺诰鶎怀獍l(fā)散的輻射區(qū)域，每個輻射區(qū)域所在的散熱鰭片垂直于該區(qū)域所對應的外側壁，散熱鰭片與空心柱有一距離且在空心柱的外圍形成“井”字形通道，底座是一體成型的。本散熱結構的LED燈，一圈散熱鰭片能夠前后左右互通，其通風效果好，進一步提高了散熱性能。（見圖1）

例如，一旦發(fā)生該情況，在實際計算結溫為103 ℃的PCB背后附著一塊10 ℃/W熱阻的散熱片，那么實際計算結溫可控制在90 ℃以下，確保、延長了大功率LED燈具使用壽命。以燈具總熱阻和總體散熱為前提來設計大功率LED整體散熱方案，要盡量降低總熱阻，需要降低各種不同介質自身熱阻、選用的導熱膠還應具有很高導熱性、以及改變結合導熱膠的各種介質的界面熱阻。

5 結語

高安全性、長壽面、應用靈活、環(huán)保、節(jié)能、高效等是發(fā)光二極管的優(yōu)點，LED技術在不斷的應用與實踐中取得了進步，但LED產品熱量的快速聚集的問題限制了大功率LED發(fā)展，為致力于大功率LED光效及使用壽命的延長等問題，簡要分析大功率LED燈具散熱結構，除了文章中提到的設計外，還應重視散熱片的選擇，散熱片采用帶翅片的鋁材或銅材，在安裝時還應確?；迮c燈具散熱片接觸面的結合程度。本文著手大功率LED散熱問題，通過對大功率LED燈具散熱結構分析，將其結構設計進行優(yōu)化，優(yōu)質了大功率LED燈具照明，有效改善散熱，將LED光源芯片所產生的熱量迅速散發(fā)，實現了其經濟效益的提升。

參考文獻

[1] 施曉紅，陳超中，李為軍，等.聚焦LED燈具和LED光源的基本概念[J].中國照明電器，2010（10）：33-36.

[2] 劉衛(wèi)國，宋穎，鄒俊林，等.LED燈模擬作物間作套種群體內光環(huán)境的設計與應用[J].農業(yè)工程學報，2011（8）：288-292.

[3] 鄧欣，涂耘.高壓鈉燈與LED燈在公路隧道中的應用對比分析[J].公路交通技術，2012（6）：114-119.