LED照明產品的散熱問題及改善策略研究

劉彬彬

法雷奧市光(中國)車燈有限公司佛山分公司，廣東 佛山 528000

0 引言

隨著LED技術的不斷發(fā)展，LED照明產品受到了越來越多的關注。與傳統(tǒng)照明光源相比，LED照明光源是固體冷光燈，具備使用壽命長、光效度高、無輻射、耗電量較少、抗沖擊和耐震特性好、安全性較高等優(yōu)點。在全世界普遍倡導綠色照明的今天，LED作為新興綠色照明光源得到了廣泛青睞。但是，LED照明產品在使用過程中容易出現(xiàn)溫度過高的情況，尤其是一些大功率LED照明產品的發(fā)熱問題嚴重。LED屬于高溫敏感元件，如果其發(fā)熱量很大、溫度過高，會直接影響LED的光照效果、光色溫度等，甚至會對LED照明產品的正常使用產生嚴重影響。對此，研究人員必須加強對LED照明產品散熱問題的研究[1]。

1 高溫對LED照明產品性能的影響

散熱能力是LED照明產品必須具備的重要性能，在實際生活中，LED照明產品往往用于不同的環(huán)境，這也對LED照明產品的使用效率產生了非常大的影響。為了加強LED照明產品的散熱能力，需要研究高溫對LED照明產品性能的影響[2]。

1.1 高溫使LED產生永久損害

從LED的工作特性考慮，如果工作溫度高于LED的所能承載的最高溫度，將會使LED的發(fā)光效能迅速下降，并形成強烈的光衰，從而導致LED的損壞。LED多以透明的聚砜/環(huán)氧樹脂封裝，如果熱解溫度高于固相含量的轉變溫度（一般為15 ℃），密封材質會向膠態(tài)轉化，并且熱膨脹系數(shù)會驟升，進而造成LED的開路與損壞。

1.2 高溫會縮短LED的壽命

各個品牌的LED的光衰特性不同，LED生產商一般會提供標準的光衰曲線[3]，作為選擇LED產品時的依據(jù)。LED的壽命與它的光衰密切相關，使用時間越久，LED的光照度會越低，直至最后熄滅。一般，將LED的光通量衰減30%的時間定義為LED的壽命。高溫會造成LED光衰，縮短LED的壽命。

（1）LED芯片內存在的缺陷在較高的環(huán)境溫度下會迅速擴大，直至侵入發(fā)光區(qū)域，從而產生大量的非輻射復合中心，極大地影響LED的發(fā)光效率。在高熱環(huán)境下，材質內的微缺陷和來自界面與電板之間的快擴雜質也會引入發(fā)光區(qū)域，形成大量的深能級，從而加速LED器件的光衰。

（2）在高熱時透明導電環(huán)氧樹脂材料會變性、發(fā)黃，從而嚴重破壞其透光性能，溫度越高，這個過程進行得越快，這也是高溫加速LED光衰的又一主要原因。

（3）熒光粉的光衰也是影響LED光衰的一個主要因素，熒光粉在高溫下的衰減非常強烈[4]。

1.3 高溫會影響LED的發(fā)光效果

LED構成材料的某些參數(shù)會隨著環(huán)境溫度而變化，進而引起LED器件參數(shù)的改變，直接影響LED的光輸出。通常情況下，光通量隨著溫度的增加而減小的過程是可逆的。在環(huán)境溫度返回初始溫度時，光通量會有一次恢復性的增加。這是因為當溫度回升至初態(tài)時，LED元件的內部參數(shù)不再變化，LED的光輸出可以恢復至初態(tài)值。LED的光通量有冷流明和熱流明之分，分別表示在室溫和某一環(huán)境溫度下時LED的光輸出[5]。

高溫影響LED發(fā)光效果的具體原因如下。

（1）隨著環(huán)境溫度的增加，LED照明產品中電子和空穴的濃度會增加，但由于禁帶寬度的減少，電子遷移率將下降。

（2）隨著環(huán)境溫度的增加，勢阱中的電子和空穴中的輻射發(fā)生復合的概率會大幅度降低，形成非輻射復合，從而降低LED的內量子效率。

（3）環(huán)境溫度上升會使LED的藍光波峰向長波方向移位，導致LED的發(fā)射波長與熒光粉的激發(fā)波長不匹配，從而導致LED對外部光的提取效率降低。

（4）隨著環(huán)境溫度的提高，熒光粉量子效率下降，出光減少。

（5）硅膠的性能受溫度影響很大，隨著工作溫度的增加，硅膠內部的熱應力增大，硅膠的折射率降低，進而直接影響LED的光效。

2 LED照明產品存在的散熱問題

LED照明產品普遍存在散熱問題。與之相比，雖然白熾燈和熒光燈的電能損失都很大，但這些燈具都可以通過紫外線直接照射，光源的發(fā)熱很少。在LED照明產品消耗的能源中，除了轉化為可視光源的部分，其他能源都轉換成了熱量。

此外，LED封裝的體積較小，難以通過對流和輻照散熱，因此積累了大量的熱量[6]。

2.1 熱膨脹導致零部件彎曲和龜裂

LED照明產品由許多零部件組成，各種零部件的材料不同，熱脹冷縮的幅度也不相同。在熱膨脹時，零部件材料會發(fā)生彎曲和龜裂，從而導致產品散熱不良，嚴重降低LED產品的使用效率。

2.2 電子電路的運行障礙

如果導體元器件的工作溫度升高，電源的阻抗會減小，很容易進入“溫度上升—阻抗降低—電壓升高—熱增強—溫度上升”的惡性循環(huán)，甚至出現(xiàn)燒斷的現(xiàn)象[7]。

2.3 高溫導致材料品質降低

一般來說，LED照明產品所用的金屬材質都易于氧化，且溫度越高氧化速度越快。高溫氧化會縮短LED照明產品的壽命。

3 LED照明產品散熱性能的影響因素

3.1 風向對LED照明產品散熱性能的影響

針對風向對LED照明產品散熱的影響，研究人員進行了實驗。一般來說，在實景模擬環(huán)境中，風向有水平向右、豎直向上和豎直向下三種，而風速最大不會超過1.50 m/s。在實驗過程中，需要保證不同組使用的LED照明產品完全一致，除了風向不同，其他的所有變量必須保持不變。在實驗時，要注意測量LED照明產品的溫度，計算不同風向下LED照明產品的散熱速度。通過實驗發(fā)現(xiàn)，在LED照明產品的散熱過程中，受豎直方向風的影響較大。這主要是因為豎直向下的風向與自然的空氣對流方向相反，使LED照明產品的最高溫度發(fā)生變化。

3.2 風速對LED照明產品散熱性能的影響

為了了解風速對LED照明產品散熱性能的影響，研究人員也進行了實驗。在實驗中，需要保證外部環(huán)境一致，然后逐漸增大風速。在風向豎直向下并且風速較小時，LED照明產品的最高溫度較高；隨著風速的增長，LED照明產品的溫度會逐漸下降。

4 LED照明產品的散熱優(yōu)化對策

設計LED照明產品的散熱架構時，結構層數(shù)越少、層的厚度越薄、層的體積越大、材質的導熱系數(shù)越大，散熱性越好。此外，燈具的外形需要選擇長方塊或環(huán)形。LED照明產品的散熱設計必須遵循以被動式散熱片為主、主動式散熱片為輔的設計原則，并盡量減少或不用主動散熱方式[8]。

4.1 合理選用散熱片

在封裝LED時，不會直接連接散熱片或設置電風扇，而且LED的電源電路板會產生大量熱能，這使LED照明產品的冷卻散熱成為十分棘手的問題。對此，需要合理選用散熱片。散熱片能夠擴大LED照明產品表面和室內空氣的相互接觸面，從而提高LED照明產品的冷卻散熱效能。

4.1.1 鰭片的選擇

通常，將散熱片的外部表面加工做成鰭片。鰭片的種類很多，鰭片的數(shù)量、位置、規(guī)格、傾斜角度和厚薄等都必須根據(jù)需求認真選擇。除了普通的直線形狀，鰭片還有波浪形、螺旋狀、長橢圓形和錐臺狀等形態(tài)，各種形態(tài)的制造目的都是方便室內空氣對流、雨水沖洗等，以獲得最佳的散熱功效。

生產企業(yè)主要采用燒結和溝槽兩種生產方法生產散熱片，相同規(guī)格的燒結熱管與溝槽熱管的性能相同。其中，在燒結熱管時，會使用大量銅粉作填為充物，導致熱管的毛細管徑很小、浸透功率較小，燒結熱管的寬度增加時，熱管的導熱功效會減弱。因此，需要選用恰當?shù)啮捚蜔峁芘浜鲜褂?。例如，作為非常典型的LED照明裝置，在LED路燈的使用過程中會采用熱管加鰭片、均溫板發(fā)熱管加鰭片等散熱方式，以提高路燈的散熱效率。

4.1.2 材質的選擇

在散熱片的材質中，銅的導熱性能比鋁好，但是銅的散熱速度慢于鋁，因此，可以結合銅、鋁的優(yōu)勢，使用全新的銅鋁復合散熱片。在銅鋁復合散熱片中，銅能夠迅速地將LED產生的高熱量帶給鋁，然后由鋁合金鰭片將高熱量散發(fā)出去，從而提高散熱效率。

4.1.3 散熱片管的選擇

散熱片管是散熱片的重要部件，其受熱端剛開始受熱時，管壁附近的水會瞬間汽化，形成大量水蒸氣，使這部分的壓強增加。水蒸氣會在水壓的帶動下向冷卻端活動，當蒸氣流到達冷卻末端后凝結為液態(tài)，同時釋放大量熱能，再通過毛細力到達蒸騰受熱端，完成一個循環(huán)。

對于一些耗能大、對散熱片要求較高的LED照明產品，可以選擇金屬熱管作為散熱片管。LED照明產品在工作時會產生大量的熱量，熱量在LED照明產品內部傳輸時，會通過熱沉部位直接傳給金屬熱管。因為金屬熱管進行了加溫，所以在熱量傳輸?shù)倪^程中不會損失熱量。在熱管冷凝段內部可以產生熱能，這些熱能可以輸送到熱管內部，并通過熱傳導效應，逐步傳遞到金屬材料分散片。通過分散片和周邊冷卻空氣的自然熱力傳播過程，熱能可以從金屬材料分散片上被分散出去。

4.2 合理設計散熱器

在實際的散熱器設計中，一般采用外置式散熱器與燈殼相結合、內置式散熱器與溫控風扇相結合的設計方式。LED器件產生的熱量可以經(jīng)密封的引線向集成電路板移動，而后經(jīng)由散熱片散發(fā)出去；電源電路板產生的熱能可以經(jīng)集成電路板周邊的空氣和充填物料，直接透過散熱片向外界分散。為了消除傳熱途徑中影響傳熱效率的因素，可以在傳熱途徑中采用導熱性能更好的材質、增加路徑的斷面體積，或者涂上導熱潤滑劑，使產品的銜接部位不留縫隙。如果冷卻散熱片不能向外散熱，在LED器件內部會積聚大量熱量。對此，需要采取措施優(yōu)化冷卻散熱片的表層結構，典型的辦法就是在表層多設置一些散熱片，增加散熱器的散熱面積。

4.3 依據(jù)實際情況選擇封裝工藝

LED產生的內部熱量可以通過黏結層傳輸給金屬電路板，再從電路板經(jīng)過黏結層傳輸給散熱片，輻射到周圍環(huán)境。密封工藝、鍵合材料、基板材質都是LED散熱設計的重點。LED產生的熱能需要經(jīng)由連接層傳遞至Si襯底，再經(jīng)過Si襯底和黏結材質傳遞至金屬支架底座上，該架構需要擁有良好的電工性質和熱學特性。

4.4 選擇合適的鍵合材料

要想提高LED照明產品的散熱能力，就必須選擇合適的鍵合材料，做好LED照明產品的基礎設計。一般來說，LED照明產品會使用粘連材料，粘連材料會受外界溫度及濕度的影響。隨著科學技術的不斷發(fā)展，人們也對粘連材料進行了改進。在設計LED照明產品時，可以根據(jù)照明產品的實際情況，選擇合適的鍵合材料，提高鍵合材料的導熱性和導電性，簡化其內部結構，提高LED照明產品的散熱能力。

5 結束語

隨著科學技術的發(fā)展，要想解決LED照明產品的散熱問題，就要根據(jù)實際情況，選擇合適的金屬熱管等建設材料。使用者在使用LED照明產品時，不僅要注重產品的散熱性能，還要注意環(huán)境因素對LED照明產品散熱的影響。