大功率LED燈散熱設計技術(shù)

曾傳銳　陳繼榕　吳趙平

摘 要：大功率LED燈在發(fā)光效率、使用壽命和光輸出定向性等技術(shù)參數(shù)方面的性能均優(yōu)于常規(guī)高壓鈉燈，因此被廣泛應用于多個領(lǐng)域，尤其是在道路照明領(lǐng)域的應用非常普遍。散熱性能差是大功率LED非常突出的一個問題，并且燈具的散熱性能在一定程度上也會影響燈具的使用壽命，因而要使大功率LED燈具得到更廣泛的應用，就必須解決散熱問題。本文將在結(jié)構(gòu)、材料等方面提出可行的設計方案，旨在優(yōu)化大功率LED的散熱性能，降低其應用約束條件。

關(guān)鍵詞：大功率LED；燈具；散熱性；構(gòu)成形式

中圖分類號：TN312 文獻標志碼：A

LED燈在產(chǎn)生光能的同時，也有一部分電能轉(zhuǎn)換成熱能導致LED燈具內(nèi)部溫度升高，當燈具內(nèi)部溫度超過允許界限之后可能會降低LED的發(fā)光效率、燒壞LED晶片、縮短其使用壽命，并且LED的產(chǎn)熱量與LED的功率成正比?？梢娚釂栴}是大功率LED應用和發(fā)展的最大阻礙，而如何使這部分熱量快速散發(fā)出去是業(yè)內(nèi)人士普遍關(guān)注的問題。

1 大功率LED燈的散熱分析

1.1 大功率LED燈的產(chǎn)熱及散熱過程

LED燈的發(fā)熱源：成品LED的光源就是LED的發(fā)熱源，LED輸入功率的70%左右將以熱量的形式發(fā)散出去。從照明原理及其基本架構(gòu)來看，可概括為“一源兩面”?！耙辉础敝傅氖荓ED的光源，用來充當照明所需的光輸出；“兩面”分別指發(fā)光面和發(fā)熱面。

導熱器件及均熱器件：導熱器件及均熱器件通常是指PCB板子上的金屬（一般為鋁材質(zhì)的）部分，常被稱作“一次器件”。導熱器件和均熱器件的主要功能是將LED在放光過程中產(chǎn)生的熱能導出來，同時將所有熱點的熱量均勻化，從而提高整體的散熱效率。

散熱器件：大功率和中等功率的LED照明燈的散熱器件主要由鋁材構(gòu)成，通常被稱作“二次器件”。散熱器件采用專門的鑄造工藝，例如利用壓鑄、擠壓、鍛造以及表面涂覆等工藝制造，熱量最終在空氣對流的作用下被發(fā)散掉。此外，超大功率的LED燈還可以應用熱管散熱器技術(shù)來增強散熱能力。

1.2 大功率LED燈的散熱要求

具有較強的導熱和均熱性能：散熱器件的總體熱阻是由LED燈具所有的接觸面逐層累計得到的，LED吸熱面中的熱傳導阻抗是總體熱阻中不可忽略的一部分。其與LED燈具之間的熱阻抗越小，則越容易快速地吸收LED產(chǎn)生的熱能，同時將這部分熱能高效率地傳導至翅片上。

總體上具有較小的熱阻抗：為有效提升導熱器件或散熱器件的吸熱能力，應將導熱器件或散熱器件盡可能地與LED模塊緊密結(jié)合，甚至達到零空隙。但現(xiàn)實中導熱器件或散熱器件的吸熱面與LED模塊之間總存在很小的空隙。因此，應選擇使用較小熱阻抗、較強適應性的材料來填充空隙，這種材料就是我們常用的導熱膏，其能有效減少接觸熱阻，從而減小整體熱阻抗、提高散熱效率。

熱量發(fā)散迅速：加工時，將散熱器件的吸熱面與散熱翅片加工成一個整體，從而將吸收到的熱量迅速傳送至散熱翅片部分發(fā)散出去。此外，散熱翅片的間隙應與空氣流動方向相一致，以防止空氣氣流遇障礙形成漩渦造成熱氣滯留。

2 大功率LED燈散熱的改進設計

2.1 優(yōu)化散熱片

目前，成品LED燈具大部分都是應用散熱片散熱。而散熱片散熱主要是依靠散熱金屬的表面與空氣進行對流，進而散熱。因此，散熱片的形狀、材料及散熱面面積是決定散熱片散熱性能的最重要因素。散熱片的主要尺寸包括散熱翅片厚度、翅片間距、翅片高度以及散熱底板厚度等。根據(jù)相關(guān)實驗研究：①隨著散熱翅片間距的增大，芯片結(jié)溫先減小后增大；②隨著散熱片基板厚度的增大，芯片結(jié)溫先減小后趨于穩(wěn)定；③隨著散熱翅片高度的增加，芯片結(jié)溫先快速降低，隨后緩慢降低并最終趨于穩(wěn)定。因此，可根據(jù)實際實驗測試數(shù)據(jù)選擇最優(yōu)的散熱翅片間距、厚度及高度搭配。

2.2 加裝熱管或均溫板

熱管具有很好的導熱性能，其外部是銅制表面，內(nèi)部由吸液芯及冷凝液組成。經(jīng)過液氣兩相的循環(huán)，能高效地將LED所產(chǎn)生的熱量導出并發(fā)散出去。均溫板的散熱原理與熱管極為相似，但是熱管為一維單向傳熱而均溫板是二維面?zhèn)鳠?，因此均溫板較熱管更容易分散熱量，同時更能減小擴散熱阻抗。

熱管在LED散熱的應用方式有多種，其中常見的形式包括：將LED燈芯片直接焊裝在熱管吸熱端頂部，將熱管加工成平板式、回路式等具有特定結(jié)構(gòu)的形式之后進行安裝。熱管最突出的特點是其能將LED所產(chǎn)生的熱量迅速傳導至較遠的位置，從而方便散熱裝置的設計，使散熱器件在實際中的應用更靈活方便。此外，根據(jù)相關(guān)實驗研究發(fā)現(xiàn)，用均溫板材料制造的散熱片比常規(guī)的散熱片具有更好的散熱效果。

3 優(yōu)化界面材料

熱量以物體為載體進行熱傳導時遇到的阻礙，被稱為導熱熱阻；當熱量在兩物體之間傳導時，兩固體之間的縫隙阻礙熱量傳導的現(xiàn)象稱為接觸熱阻。熱阻抗參數(shù)反映的是阻止熱量傳導的能力，其值等于熱流通道上的溫度之差再除以耗散功率。在LED燈具制造過程中，常用導熱膏來填充兩接觸固體之間的縫隙，從而降低接觸熱阻。但導熱膏通常是由導熱硅膠或銀膠等界面材料制成的，而這些界面材料本身的導熱性能并不理想，成為制約散熱的瓶頸。因此，在設計散熱器件時，應拿出相當?shù)木Ψ旁诮缑娌牧系倪x擇上。

4 加裝風扇

加裝風扇是風冷強制型散熱，其通過調(diào)整空氣對流而影響熱傳導和熱發(fā)散，加裝散熱風扇能夠在很大程度上改善散熱片的散熱效果、提高散熱效率。加裝風扇常選擇的方案為：在散熱翅片的垂直端面上加裝類型為intake的軸流風扇。研究結(jié)果表明，在加裝了質(zhì)量流量為0.01㎏/s的散熱風扇之后，LED芯片的最高溫度下降了9.77℃左右；而在加裝了質(zhì)量流量為0.02㎏/s的散熱風扇之后，LED芯片的最高溫度下降了16.02℃左右。可見，加裝散熱風扇能夠顯著改善LED的散熱性能。但同時，加裝散熱風扇還存在如下幾個問題：①散熱風扇的壽命與LED的壽命匹配如何做到最佳，市面上散熱風扇的壽命平均在幾千個小時左右，但是LED的壽命平均在5萬個小時以上；②加裝散熱風扇會增加LED燈的體積，使整體顯得復雜且笨重?？梢?，在將散熱風扇加裝到LED上時，應充分考慮上述兩個問題，在影響不大的情況下可考慮加裝散熱風扇來提高散熱效率。

結(jié)語

發(fā)光二極管即LED是當前應用最普遍的新型冷光源之一，它本身具有高效節(jié)能、使用壽命長、對環(huán)境幾乎不產(chǎn)生污染等優(yōu)點，在各大領(lǐng)域得到了非常廣泛的應用，并成為了21世紀發(fā)展前景最廣闊的光源之一。但是對于功率較大的LED來說，其本身在發(fā)光的過程中會產(chǎn)生過多的熱量，如果這部分熱量無法及時發(fā)散，則會很大程度地損壞LED。為此，本文總結(jié)了優(yōu)化散熱片、加裝熱管或均溫板、優(yōu)化界面材料和加裝散熱風扇等方法來提高LED的散熱效率。

參考文獻

[1]王長宏，謝澤濤，鄒大樞，等.大功率LED散熱器的數(shù)值模擬與優(yōu)化[J].電子元件與材料，2015，34（6）：44-47.

[2]張淼，華楚霞，林澤坤.功率型LED燈散熱器優(yōu)化設計研究[J].光電子技術(shù)，2014，34（1）：63-67.

[3]王忠鋒，黃偉玲，白金強.大功率LED燈具散熱的優(yōu)化設計[J].照明工程學報，2014，25（3）：84-88.

[4]鐘玉華，孫國輝.大功率LED燈強化冷卻散熱器的創(chuàng)新設計[J].科學技術(shù)與工程，2013，13（23）：6888-6892.