基于導熱塑料的新型LED燈散熱器設計與優(yōu)化

侯 綠， 陳 華， 周興林

(1． 華中光電技術研究所 武漢光電國家實驗室， 湖北 武漢 430223；2. 武漢科技大學 汽車與交通工程學院， 湖北 武漢 430223)

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基于導熱塑料的新型LED燈散熱器設計與優(yōu)化

侯 綠1， 陳 華2*， 周興林2

(1． 華中光電技術研究所 武漢光電國家實驗室， 湖北 武漢 430223；2. 武漢科技大學 汽車與交通工程學院， 湖北 武漢 430223)

以某中等功率LED燈具為例，設計了塑料散熱器的基本構型。采用數(shù)值仿真的辦法對散熱器的性能進行分析，并根據(jù)分析結果進行結構改進與優(yōu)化。結果表明，在同樣構型下塑料散熱器散熱性能低于鋁合金散熱器；與傳統(tǒng)鋁合金散熱器不同，當肋片高度達到30 mm后，塑料散熱器的散熱能力趨于穩(wěn)定；雖然導熱塑料的紅外發(fā)射率較高，仿真分析表明通過熱輻射散出的熱能只占總熱很小的一部分，所以塑料散熱器的設計應以增加對流換熱面積為主，增加肋片與環(huán)境的視角系數(shù)是次要考慮因素。改進優(yōu)化后的塑料散熱器達到了和鋁合金散熱器相近的散熱性能，總質量較鋁合金散熱器減輕了30%，驗證了塑料散熱器在降低產(chǎn)品重量方面的優(yōu)越性。

LED燈； 導熱塑料； 散熱器； 設計

1 引 言

LED燈具有節(jié)能環(huán)保、體積小、發(fā)光色溫友好、壽命長等優(yōu)點，被稱為人類照明史上第四代照明光源和最具有前景的新型固體光源[1]。與其他照明燈具不同，LED的壽命與芯片的溫度直接相關。溫升控制是LED燈具設計中首要考慮因素[2]。高功率LED燈通常需要采用風扇主動對流散熱、水冷散熱、熱管散熱或微泵散熱技術來降低芯片節(jié)溫溫升，輸入功率在瓦級的LED通常采用散熱器自然對流換熱的被動散熱技術[3-8]。傳統(tǒng)的LED燈具散熱材料主要是鋁合金。鋁合金作為散熱器材料具有熱傳導率高、導熱性能好的優(yōu)點，缺點是制作工藝復雜、制作周期長、造型受工藝限制和密度大。密度小、流動性好的導熱塑料散熱器是新型散熱器的研究焦點。導熱塑料的使用主要受限于材料的導熱性能。帝斯曼開發(fā)了Stany1 TC高導熱絕緣塑料，并于2014年被歐司朗成功應用到大型LED吸頂燈散熱片上。從國際發(fā)展趨勢來看，綠色環(huán)保的導熱塑料必將取代金屬成為LED燈散熱器的主要材料[9]?，F(xiàn)有導熱塑料的熱傳導系數(shù)在15～20 W/(m·℃)左右，導熱性能約為鋁合金材料的1/10。LED芯片的散熱主要通過基板、散熱器基體熱傳導作用，將熱量傳導到散熱器肋片上，靠肋片的對流和輻射作用將熱量散發(fā)出去。同樣的散熱器，采用導熱系數(shù)低的材料在傳熱路徑的熱阻更大，也更不利于散熱。受到傳統(tǒng)觀念限制，國內鮮有LED塑料散熱器的研究[10]。導熱塑料作為一種新的散熱材料，具有重量輕、環(huán)保、制作工藝簡單、能夠制作出復雜幾何形狀的優(yōu)點，必將成為未來低功率LED散熱器的發(fā)展趨勢，開展導熱塑料散熱器的設計方法研究也具有非常重要的意義。

本文針對中高功率LED燈具的導熱塑料散熱器的設計方法展開研究，詳細分析了LED芯片散熱路徑，設計了散熱器的基本構型。通過對比分析散熱器的肋片高度和厚度對芯片溫度的影響，確定了最優(yōu)的肋片尺寸。在此基礎上對散熱器的構型進行了改進設計，分析了影響散熱器散熱能力的主要因素。設計過程和結果對相關領域的應用具有重要的參考價值。

2 散熱器設計

2.1 理論分析

LED芯片發(fā)熱是由芯片的電光轉換效率決定的，約有70%～80%的電輸入功率被轉換成熱能。

圖1為采用COB封裝方式的LED的基本構型以及其散熱路徑分析。

從圖1(b)可以看出，芯片的散熱路徑主要有：(1)通過接觸熱傳導將熱量導到散熱器上，通過散熱器的熱對流和熱輻射作用將熱量散出；(2)通過引腳線熱傳導，將熱量傳遞到散熱器上，然后通過散熱器將熱量散出；(3)通過熒光膠熱傳導將熱量傳出，以及通過熒光膠的熱輻射的透射。雖然銅引腳線的熱傳導系數(shù)很高，但由于引腳線較長而截面積小，可以散出的熱量較少。同樣，熒光膠的熱傳導系數(shù)較低，通過熒光膠的散熱量也較少。因此，在LED散熱器設計時，基本上忽略這兩個途徑的散熱量，只考慮通過散熱器的散熱。

圖1 LED構型(a)及散熱路徑分析(b)
Fig.1 Configuration of LED(a) and its heat transfer pathes(b)

從LED芯片至散熱器的熱阻網(wǎng)絡模型如圖2所示。

圖2 LED芯片至散熱器的熱阻網(wǎng)絡

Fig.2 Thermal resistance network of the chip to the heat sink

芯片至散熱器路徑上的熱阻為串聯(lián)模式，即R=R1+R2+R3+R4+R5。將芯片考慮為一個結點,則芯片的溫升為△T=Q·R。降低芯片溫升，就需要減小熱阻。

(1)接觸熱阻。通常LED芯片與絕緣層之間通過摻銀粉的導熱膠連接，導熱膠熱傳導系數(shù)λ為5 W/(m·℃)，厚度L為0.02 mm，芯片面積A為2 mm×2 mm，引入的熱阻為R1=L/(A·λ)=1 ℃/W。同樣，R3=1 ℃/W。

(2)絕緣層熱阻。通常絕緣層熱傳導系數(shù)λ為42 W/(m·℃)，厚度L為0.1 mm，面積A為2 mm×2 mm，引入的熱阻為R2=L/(A·λ)=0.6 ℃/W。

(3)散熱器基板熱阻。導熱塑料熱傳導系數(shù)λ為15 W/(m·℃)，為保持足夠的機械強度，基板厚度不宜過薄，因此設計L為3 mm，面積A為2 mm×2 mm，引入的熱阻為R2=L/(A·λ)=50 ℃/W。

(4)肋片散熱熱阻。肋片散熱熱阻包括肋片的導熱熱阻和對流換熱熱阻，二者既有串聯(lián)關系又有并聯(lián)關系，計算起來較為復雜且難以準確，因此通常采用數(shù)值仿真計算方法進行性能驗證。

2.2 散熱器結構設計與仿真模擬

從上述分析可以看出，降低芯片溫升的關鍵是減小散熱路徑上的熱阻。相對于鋁合金散熱器，導熱塑料的熱傳導系數(shù)較低，由散熱器基板引入的熱阻很大，同樣條件下引起的溫升約為金屬散熱器的10倍，成為制約塑料散熱器應用的關鍵。

采用絕緣的導熱塑料散熱器，LED芯片可以直接通過導熱膠粘貼在散熱器上，將接觸熱阻環(huán)節(jié)減少為一個，同時去除了絕緣層所引入的熱阻。

我們針對某款總功率為22 W的LED燈具的散熱器展開設計。散熱器上均布有22個燈珠，每個燈珠輸入電功率為1 W，光電效率為30%，即熱功耗為0.7 W。環(huán)境溫度為30 ℃。所設計的散熱器基本結構如圖3所示。散熱器總長290 mm，寬40 mm，設計了25片散熱肋片，肋片厚度為0.8 mm，高80 mm。

采用數(shù)值仿真的方法分別分析了散熱器采用鋁合金和導熱塑料時相同輸入熱功率下的芯片溫度。其中鋁合金為6063T5，其熱傳導系數(shù)為201 W/(m·℃)，密度為2.69 g/cm3； 導熱塑料熱傳導系數(shù)為18 W/(m·℃)，密度為1.42 g/cm3。仿真分析結果如圖4所示。

圖3 LED散熱器基本構型

圖4 同樣構型下不同材質的散熱器散熱性能分析。(a) 鋁合金散熱器；(b)塑料散熱器。

Fig.4 Heat dissipation performance analysis of different material radiators with the same configuration. (a)Al radiator. (b)Plastic radiator.

分析結果表明，同樣構型下，采用鋁合金散熱器的LED芯片最高溫度為45.16 ℃，采用導熱塑料散熱器的LED芯片的最高溫度為58.12 ℃，需要改進塑料散熱器的結構設計才能使其達到和鋁合金散熱器接近的散熱效果。

2.3 塑料散熱器肋片尺寸優(yōu)化設計

肋片與空氣接觸面積越大越利于散熱，這就意味著在相同數(shù)量的肋片下，肋片的高度越高越好。另外，肋片的厚度越大，導熱熱阻越小，因此肋片越厚越好。在設計中需要優(yōu)化肋片的高度和厚度。我們采用數(shù)值仿真辦法分別分析了芯片最高溫度隨肋片高度和厚度的變化規(guī)律，如圖5所示。

圖5 芯片溫度與肋片高度(a)和厚度(b)的關系

Fig.5 Chip temperaturevs. height(a)and thickness(b)of the fins

從圖5可以看出，與鋁合金散熱器不同，塑料散熱器的翅片高度達到30 mm后，繼續(xù)增加高度對芯片的散熱貢獻就很小了。隨著肋片厚度的增加，芯片的溫度逐漸降低。為使散熱器以最小的質量達到最優(yōu)的散熱效果，我們選擇肋片高度為30 mm、厚度為1.5 mm。

2.4 塑料散熱器整體結構優(yōu)化設計與分析

2.4.1 結構設計與散熱分析

相對于金屬材料，導熱塑料有良好的熱輻射性能。表面鍍鋅的鋁合金表面發(fā)射率約為0.5，而導熱塑料的表面發(fā)射率約為0.9，因此在肋片設計時要利用好肋片的輻射換熱性能。

傳統(tǒng)的直肋設計非常不利于肋片與環(huán)境之間的輻射換熱。平行直肋之間的視角系數(shù)為1，輻射換熱發(fā)生在肋片之間，而肋片間溫差很小，輻射換熱量約等于0。為此，我們對散熱器進行了結構改進，設計了有利于肋片與環(huán)境間輻射散熱的異形斜肋結構，并在肋片上增加了翅片以增大換熱面積。改進的肋片設計及仿真分析結果如圖6所示。

改進后的散熱器通過斜肋設計不僅增加了肋片與空氣的接觸面積，而且增強了肋片與環(huán)境空間的輻射換熱能力。仿真分析結果表明，芯片最高溫度為46.02 ℃，散熱效果較直肋時有了較大改善，接近鋁合金散熱器。

圖6 改進的塑料散熱器構型(a)及散熱效果分析(b)

Fig.6 Refined configuration of the plastic radiator(a) and its thermal dissipation capacity analysis(b)

2.4.2 輻射換熱影響分析

為了考察散熱器通過熱輻射散出的熱量在總熱量中所占的比例，我們分析了不含熱輻射時的芯片溫升。分析結果如圖7所示，芯片最高溫度為46.59 ℃，較全輻射時的溫度升高了0.57 ℃。這表明散熱器表面熱輻射的貢獻并不大，對塑料散熱器的設計應該從增加與空氣的接觸面積入手，而非增大視角系數(shù)。

圖7 不考慮熱輻射時芯片散熱效果分析

Fig.7 Analysis of thermal dissipation effect without considering thermal radiation

最后，通過軟件分別測量得到鋁合金散熱器質量為0.353 kg，優(yōu)化后的塑料散熱器質量為0.247 kg，減重30%。這表明在達到同樣散熱效果的前提下，塑料散熱器的重量更輕，更有利于產(chǎn)品減重?？紤]到導熱塑料的良好流動性能，其用于加工制造散熱器更簡便，加工周期也更短，所以，如果掌握了塑料散熱器的散熱特性和設計方法，塑料散熱器必將成為中低功率LED燈具散熱器的主流。

3 結 論

通過理論分析與數(shù)值仿真驗證，對LED新型塑料散熱器的結構設計和散熱性能進行了分析。分析表明，在同樣構型、同樣輸入功率下，導熱塑料散熱器的散熱性能劣于鋁合金散熱器。分析了LED芯片溫度隨塑料散熱器肋片高度和厚度的變換，結果表明，與鋁合金散熱器不同，由于導熱塑料的熱傳導系數(shù)相對較低，導熱塑料散熱器在肋片高度超過30 mm后對芯片溫度的影響就不明顯了，因此塑料散熱器應采用較小的肋片高度，在肋片上增加翅片以增大換熱面積。對塑料散熱器進行了結構改進，仿真分析結果表明，改進后的結構獲得了和鋁合金散熱器相近的散熱性能，而質量較鋁合金散熱器減輕了30%，驗證了塑料散熱器的在降低產(chǎn)品重量方面的優(yōu)越性。仿真分析得出，塑料散熱器在不包含熱輻射換熱條件下的芯片溫度較包含熱輻射時的芯片溫度升高了0.57 ℃，表明散熱器表面熱輻射的貢獻并不大，對塑料散熱器的設計應該從增加與空氣的接觸面積入手，而非增大肋片與環(huán)境的視角系數(shù)。本文的研究過程和結果對于LED燈具塑料散熱器的設計具有一定的借鑒意義和指導價值。

[1] LUO X B, FU X, CHEN F,etal.. Phosphor self-heating in phosphor converted light emitting diode packaging [J].Int.J.HeatMassTransfer, 2013, 58(1-2):276-281.

[2] 錢敏華,林燕丹,孫耀杰. 基于光電熱壽命理論的LED壽命預測模型 [J]. 光學學報, 2012, 32(8):0823001-1-6. QIAN M H, LIN Y D, SUN Y J. Life prediction model for LEDs based on the photo-electro thermal-life theory [J].ActaOpt.Sinica, 2012, 32(8):0823001-1-6. (in Chinese)

[3] 莊四祥,張躍宗,梁鳴娟,等. 大功率LED路燈的散熱結構設計和參數(shù)優(yōu)化 [J]. 電子設計工程, 2011, 19(4):66-69. ZHUANG S X, ZHANG Y Z, LIANG M J,etal.. Design of the heat dissipation structure and parameters optimization in high-power LED lamp [J].Electron.DesignEng., 2011, 19(4):66-69. (in Chinese)

[4] 郭凌曦,左敦穩(wěn),孫玉利, 等. LED散熱技術及其研究進展 [J]. 照明工程學報, 2013, 24(4):64-70. GUO L X, ZUO D W, SUN Y L,etal.. Heat dissipation technology of LED and its research progress [J].ChinaIllumin.Eng.J., 2013, 24(4):64-70. (in Chinese)

[5] 董麗,劉華,王堯,等. 緊湊型LED配光設計中光源模型可靠性研究 [J]. 光子學報, 2014, 43(2):0222003. DONG L, LIU H, WANG Y,etal.. Reliability of light source modeling for distribution design on compact LED [J].ActaPhoton.Sinica, 2014, 43(2):0222003. (in Chinese)

[6] JANG D, PARK S J, YOOK S J,etal.. The orientation effect for cylindrical heat sinks with application to LED light bulbs [J].Int.J.HeatMassTransfer, 2014, 71:496-502.

[7] 王樂,吳珂,俞益波,等. 基于CFD的LED陣列自然對流散熱研究 [J]. 光電子·激光, 2010, 21(12):1758-1762. WANG L, WU K, YU Y B,etal.. Study on LED array heat transfer under natural convection based on CFD [J].J.Optoelectron.Laser, 2010, 21(12):1758-1762. (in Chinese)

[8] TANG Y, DING X R, YU B H,etal.. A high power LED device with chips directly mounted on heat pipes [J].Appl.Therm.Eng., 2014, 66(1-2):632-639.

[9] 陳穎聰,文尚勝,吳玉香. 基于塑料散熱器無基板板上芯片封裝的LED熱分析 [J]. 光學學報, 2013, 33(8): 0823005-1-6. CHEN Y C, WEN S S, WU Y X. Thermal analysis for LED chip on board package based on plastic radiator without substrate [J].ActaOpt.Sinica, 2013, 33(8):0823005-1-6. (in Chinese)

[10] 雄戈. 歐司朗LED吸頂燈采用散熱性良好的帝斯曼熱導Stanyl TC聚酰胺46 [J]. 國外塑料, 2014, 32(11):64. XIONG G. OSRAM LED ceiling lamp with polyamide 46 instead of aluminum [J].WorldPlast., 2014, 32(11):64. (in Chinese)

侯綠(1965-)，男，湖北潛江人，2004年于華中科技大學獲得碩士學位，主要從事光學儀器與檢測技術的研究。

E-mail: houl1965@sina.com

陳華(1983-)，女，湖北十堰人，博士， 2011年于中國科學院長春光學精密機械與物理研究所獲得博士學位，主要從事LED車前照燈散熱和道路檢測技術的研究。

E-mail: chenhua..tyb@126.com

Design and Optimization of A New Type LED Lamp Radiator Based on Thermal Conductive Plastics

HOU LYU1, CHEN Hua2*, ZHOU Xing-lin2

(1.WuhanNationalLaboratoryforOptoelectronics,HuazhongInstituteofElectro-Optics,Wuhan430223,China; 2.SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430223,China)*CorrespondingAuthor,E-mail:chenhua..tyb@126.com

Taking a medium power LED lamp as an example, the basic configuration of the plastic radiator was designed. The performance of the radiator was analyzed by numerical simulation, and the structure was improved and optimized according to the analytical results. The results show that the thermal dissipating capacity of the Al alloy radiator is better than the plastic radiator when they have the same configuration. Different from the traditional aluminum alloy radiator, the heat dissipating capacity of the radiator plastic tends to be stable when the fins are higher than 30 mm. Although the infrared emission rate of the conductive plastic is as high as 0.9, the thermal energy dissipated through thermal radiation is very small, which means the plastic radiator design should be prior to increasing the convective heat exchange area. The thermal dissipation capacity of the optimized plastic radiator is quite close to that of the Al alloy radiator, and its weight is reduced 30% of the aluminum alloy radiator, which verifies the superiority of the plastic radiator product.

LED lamp; thermal conductive plastics; thermal radiator; design

1000-7032(2016)09-1103-06

2016-04-27；

2016-06-29

湖北省自然科學基金面上項目(2015CFB220)； 湖北省科技支撐計劃(2014BEC055)； 湖北省自然科學基金重點項目(2015CFA064)； 國家自然科學基金面上項目(51578430)； 武漢科技大學青年科技骨干培育計劃資助項目

TN312.8

A

10.3788/fgxb20163709.1103