淺談半導(dǎo)體燈具的散熱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

傅海勇

摘 要：LED燈珠是一種半導(dǎo)體材料，與普通二極管一樣具有PN結(jié)，由于高亮二極管的功率相對(duì)比較大，所以與功率半導(dǎo)體器件相同，需要考慮散熱問題，結(jié)溫過高會(huì)直接影響LED燈珠的壽命，并且會(huì)增大LED燈珠的光衰，情況嚴(yán)重的會(huì)將LED燈珠燒壞，所以如何有效提高半導(dǎo)體燈具的散熱效果成為人們關(guān)心的問題之一。文章探討半導(dǎo)體燈具的散熱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，希望能在室內(nèi)外照明及裝飾等諸多領(lǐng)域得到推廣與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體 LED 燈具 散熱

1 散熱機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與半導(dǎo)體燈具壽命息息相關(guān)

對(duì)于半導(dǎo)體燈具設(shè)計(jì)，散熱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)，散熱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)能減少材料從而節(jié)約成本、提高LED燈珠的可靠性與壽命，長(zhǎng)時(shí)間工作使用會(huì)比較容易造成每個(gè)器件性能降低，半導(dǎo)體燈具急速光衰，并造成安全事故，嚴(yán)重影響用戶體驗(yàn)。

2 半導(dǎo)體燈具的散熱器制造工藝現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的半導(dǎo)體燈具僅僅將LED燈珠嵌設(shè)在鋁材質(zhì)制造而成的散熱體內(nèi)，利用鋁材質(zhì)良好的散熱性能，將LED燈珠產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，進(jìn)而降低LED燈珠工作時(shí)升高的溫度。尤其是對(duì)于大功率LED燈珠矩陣都會(huì)通過配置大型散熱體來解決散熱問題，然而問題隨之而來：一方面，半導(dǎo)體燈具的總功率不斷上升，為增加散熱面積其對(duì)應(yīng)的散熱體也越做越大，導(dǎo)致了許多額外成本開銷，燈具的重量也無法接受；另一方面，由于LED燈珠在使用時(shí)還需安裝于專用光學(xué)燈罩內(nèi)，有時(shí)候甚至是安置于一個(gè)相對(duì)密封的罩體中，由于密封的罩體內(nèi)熱量無法與外界空氣形成對(duì)流，只能通過簡(jiǎn)單的輻射和大熱阻的空氣進(jìn)行很少的熱量傳遞。因此，現(xiàn)有LED燈珠即使使用散熱面積較大的散熱體，甚至散熱體上加置散熱風(fēng)扇，也無法將LED燈珠發(fā)出的熱量迅速帶走，最終導(dǎo)致熱量囤積于散熱體上，使散熱效果大打折扣，從而影響LED燈珠的使用壽命。目前市面上的半導(dǎo)體光源燈具散熱器造型各異，散熱器的制作工藝大都是采用鋁材壓鑄成型工藝和擠壓型材切割工藝制造，導(dǎo)熱系數(shù)低、散熱器重量較大、耗材多、后加工復(fù)雜、生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)成本高。

2.1 鋁合金壓鑄工藝

鋁合金壓鑄工藝和塑料注塑工藝原理接近，都是將原材料加溫成液態(tài)后填充到模具型腔形成產(chǎn)品，鋁合金壓鑄的材料有ADC12、A380、A360、YL113，常用的材料是ADC12，相對(duì)于其他材料，它更加容易成型，優(yōu)異的后加工和機(jī)械性能。

優(yōu)點(diǎn)：（1）一體化壓鑄成型，整體性強(qiáng)；（2）外觀可設(shè)計(jì)弧面，有利于工業(yè)造型。

缺點(diǎn)：（1）導(dǎo)熱系數(shù)低（約為96 W/M·K）；（2）表面處理受限制。

2.2 鋁擠出成型工藝

鋁擠出成型工藝目前在大功率路燈、隧道燈領(lǐng)域相對(duì)廣泛，近年來室內(nèi)較少用。常用的材料為AL6063，相對(duì)于壓鑄ADC12材料，它具有很好的導(dǎo)熱系數(shù)（一般為200 W/M·K）。

優(yōu)點(diǎn)：（1）導(dǎo)熱系數(shù)高；（2）容易做表面處理。

缺點(diǎn)：?jiǎn)蜗驍D壓型材，外觀結(jié)構(gòu)受到限制。

2.3 散熱鰭片拼接扣工藝

散熱鰭片常用的是五金沖壓加工得到，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，使用的材料有導(dǎo)熱鋁合金。

優(yōu)點(diǎn)：（1）散熱面積多，需配合風(fēng)扇形成空氣流效果才能更好；（2）重量輕便。

缺點(diǎn)：成本較高。

2.4 熱管結(jié)合散熱鰭片工藝

熱管結(jié)合散熱鰭片相對(duì)來看成本較高，同時(shí)對(duì)外觀和尺寸有一定要求。這將導(dǎo)致市面上一些小型公司放棄使用該項(xiàng)技術(shù)。

優(yōu)點(diǎn)：（1）LED燈珠工作時(shí)發(fā)出的熱能快速傳導(dǎo)到散熱器散熱鰭片；（2）重量輕便。

缺點(diǎn)：（1）工藝相對(duì)復(fù)雜；（2）成本較高。

2.5 導(dǎo)熱塑料注塑成型工藝

導(dǎo)熱塑料分為兩大類：導(dǎo)熱導(dǎo)電塑料和導(dǎo)熱絕緣塑料。半導(dǎo)體燈具散熱器常用的是導(dǎo)熱絕緣塑料。導(dǎo)熱絕緣塑料主要成分包括基體材料和填料?；w材料包括PPS、PA6/PA66、PPA、PEEK等，填充材料包括AIN、SIC、AL203、石墨、纖維狀高導(dǎo)熱碳粉等。

優(yōu)點(diǎn)：（1）一次成型，光澤度高；（2）絕緣性能優(yōu)異，宜采用各種不同的電源方案。

缺點(diǎn)：（1）導(dǎo)熱系數(shù)低；（2）重量相對(duì)金屬較輕。

2.6 塑包鋁結(jié)構(gòu)工藝

市面上現(xiàn)有的塑包鋁結(jié)構(gòu)分為兩種：（1）導(dǎo)熱塑料和鋁件是獨(dú)立分開的2個(gè)組件，通常這種做法易成型加工，不需要先把鋁塊放置注塑模型腔內(nèi)成型加工得到一體，而是后續(xù)通過機(jī)械固定結(jié)構(gòu)將獨(dú)立分開的2個(gè)組件固定形成一個(gè)整體。（2）導(dǎo)熱塑料和鋁件是一體注塑成型加工得到的。

優(yōu)點(diǎn)：表面為導(dǎo)熱塑料，絕緣性能好，安全。

缺點(diǎn)：成型工藝復(fù)雜。

3 半導(dǎo)體燈具散熱

熱量的3種傳遞方式有輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)。一般而言，LED燈珠工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生光和熱，散熱器通常就是要把LED燈珠工作時(shí)產(chǎn)生的熱散發(fā)出去，從能量層面來看，熱并非能量，其實(shí)只是傳遞能量的形式，當(dāng)外界能量沖擊分子，能量就會(huì)由高能分子傳遞到低能分子，從微觀層面來看，能力的傳遞就是熱。通常，LED燈珠通過機(jī)械結(jié)構(gòu)固定在散熱器表面，LED燈珠與散熱器的接觸良好是決定LED燈珠工作時(shí)產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到散熱器的關(guān)鍵因素，半導(dǎo)體散熱器的散熱結(jié)構(gòu)還需充分運(yùn)用空氣對(duì)流換氣，通過傳導(dǎo)與對(duì)流，使LED燈珠工作時(shí)產(chǎn)生的熱量散發(fā)到空氣中。

4 設(shè)計(jì)優(yōu)化散熱機(jī)構(gòu)

4.1 半導(dǎo)體燈具散熱設(shè)計(jì)方法的選擇

散熱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)通常使用EFD、ANSYS軟件仿真，通常流體的固定邊界與黏性對(duì)流體的阻力所產(chǎn)生的影響，使得流體中的流體元素會(huì)小部分受沿程阻力的干擾，另一方面，半導(dǎo)體燈具通常需要增加風(fēng)扇來加速空氣流動(dòng)，由于風(fēng)扇的增加會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體燈具機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，從另一角度來看，也會(huì)大大降低半導(dǎo)體燈具的可靠性。因此，半導(dǎo)體燈具的散熱器采用被動(dòng)式自然散熱的方式，散熱器的外觀輪廓依據(jù)半導(dǎo)體燈具結(jié)構(gòu)來定，因而直接利用半導(dǎo)體燈具外觀從而設(shè)計(jì)成整體式散熱器，針對(duì)散熱器接觸面平整度、基板厚度、散熱片狀條形狀、散熱片數(shù)量、散熱片厚度、散熱片與散熱片的空氣流動(dòng)、散熱片與空氣接觸的面積等，按照散熱器相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后進(jìn)行打樣測(cè)試和分析定論。

4.2 被動(dòng)式散熱器設(shè)計(jì)

參照?qǐng)D1和圖2，半導(dǎo)體燈具的散熱機(jī)構(gòu)包括基板1和燈體2，基板1經(jīng)過旋壓工藝?yán)斐鰺趔w2，再將燈體2上多余部分剪除使燈體2成圓筒狀，基板1經(jīng)過五金沖壓扭曲后局部向上隆起形成帶拉開片4的散熱葉片3并形成通氣孔5，基板1上第一圍圓形排布設(shè)計(jì)有14條，第二圍圓形排布有36條向散熱器外部沖壓扭曲的散熱葉片3，拉開片4增加了基板1與散熱葉片3的接觸面積并且垂直分布，結(jié)合熱量向上散發(fā)的特性，從而加快散熱速度，提高整體性能。

5 結(jié)語

目前，半導(dǎo)體燈具得到廣泛應(yīng)用，其具有體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)和節(jié)能效果極佳等優(yōu)點(diǎn)，但是半導(dǎo)體燈具跟半導(dǎo)體一樣普遍存在發(fā)熱量大、熱量不易散發(fā)的問題，熱量的積累容易導(dǎo)致半導(dǎo)體光源壽命減少、發(fā)光效率降低。上述優(yōu)化后的被動(dòng)式散熱器設(shè)計(jì)具有制作工藝簡(jiǎn)單、易一次性成型加工、扭曲過程中較少?gòu)U料、材料利用率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

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