LED燈散熱器研究與開發(fā)

藍振善

摘 要：LED燈與傳統(tǒng)照明燈相比具有使用壽命長，節(jié)能，光效高等優(yōu)點，近幾年來越來越多應(yīng)用于各個行業(yè)，如：路燈、工礦燈、景觀燈、室內(nèi)照明等，從2013到2016年LED行業(yè)出口額總體呈增長狀態(tài)， 但是LED芯片發(fā)熱量非常大，當溫升達到一定程度，就會影響燈具的壽命及光效，實際中LED總的電光轉(zhuǎn)換效率約為30﹪，剩余的70%電能將以熱能的形式釋放，LED燈具熱量上升直接影響有：發(fā)光效率，主波長不穩(wěn)定，色溫偏低，正向電壓降低，反電流增大，材料劣化等等，因此設(shè)計一款LED燈，首先要考慮它的散熱問題，選用或設(shè)計良好的散熱器至關(guān)重要。

關(guān)健詞：LED燈、發(fā)熱量 、電光轉(zhuǎn)換效率、散熱器

一、熱運動的幾種方式

熱運動方式主要以：熱傳導(dǎo)，熱對流，熱輻射。

（一）熱傳導(dǎo)

溫度不同的物體各部分之間或溫度不同的各物體之間直接接觸時，依靠分子、原子即自由電子等微觀粒子的熱運動而進行熱量傳遞的現(xiàn)象

（二）熱對流

由系統(tǒng)內(nèi)流體各部分之間發(fā)生相對位移，冷熱流體相互摻混而產(chǎn)生的熱量傳遞現(xiàn)象稱為熱對流。

（三）熱幅射：由熱運動產(chǎn)生，熱量以電磁波形式傳遞

（熱傳導(dǎo)和熱對流需要借助介質(zhì)進行散熱，而熱輻射則不用，如真空）。

對于高功率LED，短時間運行其最高允許結(jié)溫為125℃，而長期使用結(jié)溫不允許超過110℃，對于低功率LED，其最高允許結(jié)溫為80℃。

散熱器設(shè)計中我們通?？紤]幾個方面：導(dǎo)熱材料，傳導(dǎo)介質(zhì)，熱能位置，吸熱界面，熱流方向，環(huán)境溫度等等。

將光源或光源鋁基板緊貼著散熱器并固定，利用散熱器將熱量散到周圍空間，必要時再加上散熱風(fēng)扇，以一定的風(fēng)速加強冷卻散熱（風(fēng)冷），在某 些大型設(shè)備的功率器件上還采用流動冷水冷卻板（水冷），它有更好的散熱效果。在自然狀態(tài)下冷卻和在風(fēng)扇加強對流狀態(tài)下冷卻有一定區(qū)別，這兩種冷卻方式的散熱片設(shè)計要區(qū)分設(shè)計，一種稱為自然冷卻散熱片設(shè)計，若加風(fēng)扇則是強制對流散熱片設(shè)計。

二、自然冷卻散熱器的設(shè)計

選擇散熱器的材料，一般是選擇鋁材，金、銀、銅、的散熱效果比鋁好，但價格承受不了，采用性價比最好的鋁材是6063，傳導(dǎo)率如表1。

目前用來制造散熱器的工藝主要有：擠壓成型、鑄造、鍛造、機械加工等，根據(jù)不同需要，散熱器可以采用不同的成型方式，目前市場上的散熱器：用以上幾種工藝制造的都有。

（一）散熱器的尺寸設(shè)計

1、散熱器截面尺寸的初步設(shè)計。先根據(jù)結(jié)構(gòu)要求、芯片功率、散熱面積要求做初步的尺寸設(shè)計，確定大體尺寸，盡可能增加散熱器散熱面積，從經(jīng)濟上面和實用性方面考慮，要盡可能減少散熱器的重量，然后再就散熱片的細部如鰭片及底部尺寸做詳細設(shè)計。

2、散熱片子底部鋁材厚度尺寸的優(yōu)化。散熱器的整體熱阻就是由與LED模塊的接觸面開始逐層累計而來，吸熱底內(nèi)部的熱傳導(dǎo)阻抗是其中不可忽視的一部分。為了將吸收的熱量有效地傳導(dǎo)到盡量多的鰭片上，因此還需要吸熱底有較好的橫向熱傳導(dǎo)能力，我們在設(shè)計燈具時首先滿足吸熱底有足夠的厚度，良好的底部厚度設(shè)計必須由熱源部分厚而向邊緣部份變薄，如此可使散熱片由熱源部份吸收足夠的熱向周圍較薄的部份迅速傳遞，因為厚度太大，散熱體會變的比較重，性價比低，一般厚度不大于10個毫米，除非特殊要求散熱器。

3、鰭片間距、厚度、高度的優(yōu)化設(shè)計?？紤]到自然冷卻時溫度邊界層較厚，如果齒間距太小，兩個齒的熱邊界層易交叉，影響齒表面的對流，所以一般情況下，對于大功率散熱器，建議散熱器齒間距大于12mm，高度盡可能高，目前國際上先進的擠壓設(shè)備及工藝已能夠達到23的高寬比，國內(nèi)少部分廠家目前高寬比也可以做到20 ， 如果散熱器齒高低于10mm，可按齒間距≥1.5倍齒高來確定散熱器的齒間距。

當鰭片的形狀固定，厚度及高度的平衡變得很重要，特別是鰭片厚度薄高的情況，會造成前端傳熱的困難，鰭片厚度厚高的情況，又不經(jīng)濟，使得散熱片即使體積增加也無法增加效率，

以下為鰭片形狀參考值，斜角一般0～3度，為增中散熱面積，可以在鰭片上面增加一結(jié)散熱齒，對散熱器的溫升一般能夠減少一些，但不是非常明顯。

以下為散熱片設(shè)計的厚度、間距、高度的配比參考值：

（二）散熱片表面處理

常見的后處理方法：1、烤漆：噴漆后進烘房加溫干燥工藝；2、電泳：2電泳涂料在陰陽兩極， 施加于電壓作用下， 帶電荷的涂料離子移動到陰極， 并與陰極表面所產(chǎn)生的堿性物質(zhì)作用形成不溶解物， 沉積于工件表面的過程；3、電鍍：電鍍就是利用電解的方式使金屬或合金沉積在工件表面，以形成均勻、致密、結(jié)合力良好的金屬層的過程；4、噴塑：將塑料粉末噴涂在零件上的一種表面處理方法；5、陽極：將金屬或合金的制件作為陽極，采用電解的方法使其表面形成氧化物薄膜。

散熱片表面做陽極處理可以增加輻射性能而增加散熱片的散熱效能，也可以根據(jù)其它需求選擇以上不同工藝。

三、強制對流散熱片設(shè)計

1、增加空氣流速這個是很直接的方法，可以配合風(fēng)速高的風(fēng)扇來達成目的，對于采用風(fēng)扇強制對流的設(shè)計，首先要構(gòu)建一個基本封閉式環(huán)境，除了排風(fēng)通道，進氣口，風(fēng)扇排氣孔，其它地方要成封閉狀態(tài)或者基本封閉狀態(tài)。散熱源產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到散熱體后，通過風(fēng)扇能夠及時將熱量排出去。一般用風(fēng)扇強制對流散熱，會比自然冷卻方式效果會好很多，溫升至少會比自然冷卻方式小50%，當然在采用風(fēng)扇強制對流散熱的方式，要考慮的因素也很多：風(fēng)扇的壽命、成本、安裝方式，散熱鰭片的設(shè)計間距可以稍微小點，在散熱鰭片上面增加細齒，增加散熱面積，也可以更加有效地散熱。

2、平板型鰭片做橫切將平板鰭片切成多個短的部分，這樣雖然會減少散熱片面積，但是卻增加了熱傳導(dǎo)系數(shù)。

四、用散熱分板軟件對所設(shè)計的散熱片進行模擬

用散熱分析軟件能夠模擬出散熱器在工作狀態(tài)的表面溫度，從而驗證溫升是否達到要求，用的比較多的熱仿真軟件有：FloTHERM、FloEFD、Icepak，一款散熱器設(shè)計好后，最好都要用散熱軟件進行溫升模擬，可以提高效率，節(jié)省成本，用散熱軟件進行溫升模擬，等涉及到一些軟件內(nèi)一些參數(shù)的設(shè)置：

1、LED模型的簡化；2、鋁基板導(dǎo)熱硅脂的熱阻設(shè)置；3、led芯片的發(fā)熱功率的確定（一般理論值70%）；4、鋁基板的設(shè)置；5、各表面處理方式的輻射氧化參數(shù)；6、網(wǎng)格的優(yōu)化；7、電源功率的確定；8、散熱仿真的報告格式。

五、結(jié)語

一款LED燈，他的質(zhì)量和壽命對它的價格起到?jīng)Q定作用，一些國外商戶在選擇我們國內(nèi)生產(chǎn)的產(chǎn)品時，對于芯片的溫升有著嚴格的規(guī)定，而光源芯片熱量能夠有效地排出去，它的散熱片設(shè)計非常重要，好的散熱片：重量輕、散熱快、功率可以做的很大，整個燈的性價比非常高，在出口競爭中能夠占有決對的優(yōu)勢，因些對散熱片進行反復(fù)優(yōu)化設(shè)計、計算，及用散熱分板軟件對設(shè)計進行驗證，是非常有必要的，是LED燈設(shè)計的核心部分，要加強重視。

參考文獻：

[1]戴煒鋒，王琚，李越生.大功率LED封裝的溫度場和熱應(yīng)力分布的分析[J].半導(dǎo)體光電，2008（29）：324-328.

[2]張樓英，李朝林.LED封裝中的散熱技術(shù)研究[J].電子與電子封裝，2009，9（5）：1-4.