LED燈具的散熱——LED知識（八）

施克孝

（中廣國際建筑設計研究院，北京 100034）

有些讀者可能認為，LED是冷光源，怎么會有熱量需要散出呢？其實，LED被稱為冷光源，是指它的光譜不像白熾燈光譜中那樣有大量的紅外線，特別是灼熱“烤臉”的近紅外線。另外，雖然目前LED光源整體功率還不算大，但換算成單位體積發熱量時，卻遠遠超過其他光源。

判斷一種光源是不是發熱，要看它的輸入能量有多少變成了可見光，有多少變成了熱量了。變成可見光的能量越多，發熱就越少。如果能做到把全部電能都轉換成可見光，那么LED就不再散發熱量。當然，驅動電源還會有少量熱量散發，這部分熱量與LED光源相比是很少的。

LED光源是把電能轉換成光能的半導體器件。目前，大功率LED光源將電變成光的效率大約為30%，剩下的70%左右都變成了熱量。這么多的熱量如果不及時散發出去，不僅使LED光源的發光效率降低、使用壽命縮短，嚴重時還會燒毀LED芯片的P-N結，使燈具損壞。

LED光源P-N結處的溫度稱為“結溫”，用TJ表示。結溫不同，出光率也就不同。美國Lumileds Lighting公司K2系列大功率白光LED的結溫與出光率的關系如圖1所示。

參見圖1，在結溫為25℃時，一般定義此時的出光率為100%；當結溫為75℃時，LED發光量為結溫25℃時發光量的90%（出光率為90%）；當結溫為120℃時，LED發光量為結溫25℃時發光量的80%（出光率為80%）。這就是說，LED的P-N結溫度降低，不但能大大延長LED的有效壽命，還能提高出光率。因此，在大功率LED燈具設計中最主要的工作有兩項，一項是燈具的光路設計，另一項就是散熱設計。

圖1 K2結溫與出光率的關系曲線

下面分幾步談LED燈具的散熱問題。

1 熱阻

在自然界中，熱總是從溫度高的地方向溫度低的地方傳遞。在熱的傳遞過程中，各種材料的導熱性能是不同的。LED芯片的面積一般很小，即使是大功率的LED，其芯片面積也只有1mm2左右。大功率LED的結構如圖2所示。因此，為了散熱，LED芯片要粘接在一個散熱基片上。

材料導熱性能的快與慢，通常用熱阻R來表示，它的單位是℃/W。 所謂熱阻，就是器件對散熱所產生的的阻力。熱阻的定義為：在熱平衡狀態下，兩種材料之間或兩個部位之間的溫度差，與熱耗散功率之比，也就是每一瓦電功率的溫差是多少。溫差越小，說明導熱越快，導熱性能越好。例如，一個100 W的LED芯片與散熱器之間溫度差為80℃，那么，LED芯片與散熱器之間的熱阻就是0.8 ℃/W。

從面積小的材料向面積大的材料散熱的熱阻（如P-N結到散熱基片的熱阻）叫做擴散熱阻。它的大小除與材料的導熱率有關外，還與接觸面積和形狀有關。在面積一定的條件下，矩形的擴散熱阻低于方形的，橢圓形的熱阻小于圓形的。從加工工藝等各種因素考慮，一般LED芯片是方形的，散熱基片是圓形的。

在考慮散熱時，大功率LED芯片、粘接材料、散熱基片、封裝材料通常作為一個整體。它粘接在一個基板上，基板再與散熱器相連。因此，LED燈具的散熱路徑是：LED芯片→基板→散熱器→空氣。

多年以來，科學家一直在尋找導熱更快的材料及導熱方法。

2 熱管

熱管技術，因1963年美國國家實驗室發明的一種稱為“熱管”的傳熱元件而得名。它最初是用在人造地球衛星上的一種導熱方法。熱管的熱阻極小，導熱能力遠遠超過任何已知金屬，是銅材導熱能力的100倍以上。熱管技術現已從宇航、軍工領域走向散熱器制造業。它改變了散熱器的設計思路，擺脫了單純依靠高風量風機來獲得更好散熱的單一散熱模式。采用熱管技術使得散熱器可以采用低速風機甚至不用風機就可以解決大功率LED燈具的散熱問題。這對要求低噪聲環境的場所（例如電視臺的新聞演播室等）具有重要意義。

熱管的工作原理如圖3示。

熱管由管殼、吸液芯和液體介質組成。熱管內部被抽成負壓狀態，充入適當的液體介質，這種液體要求沸點低，容易揮發。管壁內裝有吸液芯，其由毛細多孔材料構成。熱管的一端為蒸發端，另一端為冷凝端。當熱管的蒸發端受熱時，吸液芯中的液體迅速蒸發汽化，汽化過程大量吸收熱量（汽化熱），蒸汽在微小的壓力差下流向冷凝端，釋放出熱量，并重新凝結成液體，液化過程大量釋放熱量（液化熱），液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回到蒸發端，如此循環不止，熱量由一端傳至另一端。這種循環是快速進行的，熱量可以源源不斷地傳遞。筆者曾拿一根直徑6 mm的熱管插入60℃的水中，立刻燙手，感覺不到時間差，可見熱管的導熱極快。

圖2 大功率LED的結構

圖3 熱管的工作原理

成品的熱管如圖4所示，它的蒸發端有一個與散熱體接觸的平面，冷凝端一般都帶有鰭片，以增加散熱效果。

圖4 熱管加鰭片散熱

3 散熱途徑

LED光源的散熱途徑有3種，分別是熱傳導、熱對流和熱輻射。熱傳導主要發生在LED芯片與基板、散熱器之間，熱對流主要發生在散熱器和周圍的空氣之間，熱輻射是指散熱器向周圍空氣以紅外線的形式散發熱量。一般情況下，熱傳導及熱對流是LED燈具的主要散熱途徑。

按散熱方式劃分，又分為主動散熱和被動散熱。主動散熱方式包括加裝風扇強制散熱、水冷散熱、半導體制冷芯片散熱。大功率LED燈具最常采用的強制散熱方式就是加裝風扇，使空氣快速流動帶走散熱器上的熱量。水冷散熱和半導體制冷芯片散熱方式因為需要額外消耗更多電能，并增加其他結構，使散熱成本上升，因此，在LED燈具中不予采用。

LED燈具主要有兩種被動散熱方法：

（1）自然散熱：自然散熱采用熱傳導、熱對流及熱輻射作為基本的散熱原理。它主要是用熱傳導把熱從芯片傳到基板，再傳到散熱器，然后通過散熱器的鰭片與周圍空氣的對流實現散熱。

圖5 LED燈具的熱阻

自然散熱的優點是散熱成本低，結構簡單。但這種方式因散熱效率低，只適合小功率LED燈具。

（2）熱管加鰭片：如前所述，熱管是一種新型高效的傳熱元件，具有緊湊、可靠、高效、壽命長、免維護等優點。一根直徑為6 mm的圓形熱管可以實現30 W～40 W功率的散熱量。100 W～120 W的大功率LED燈具，使用3～4根6 mm圓形熱管，制冷端加鰭片，就可以很好地解決散熱問題。

圖5為一臺LED燈具的簡化圖，其中紅色豎向長方塊表示LED芯片，結溫為TJA；粉色豎向長方塊表示基板，溫度為TJB；燈具最后端表面溫度為TJC； 燈具周圍空氣（距散熱片3 mm）的溫度為TJD?？偀嶙杈褪侨齻€熱阻之和，即：

式中：

RZ—總熱阻，℃/W

RAB—從LED芯片到基板的熱阻，℃/W

RBC—從基板到燈具最后端表面的熱阻，℃/W

RCD—從燈具最后端表面到空氣的熱阻，℃/W

從LED芯片到空氣（即環境溫度）的總溫差等于總熱阻與LED芯片功率的乘積，即：

式中：

△T — 從LED芯片到空氣的總溫差，℃

RZ— 總熱阻，℃/W

P— LED芯片的功率，W

總溫差與總熱阻成正比，總熱阻越小，總溫差也就越小，說明介質的導熱性能越好。例如，最近飛利浦公司推出一款130 W的LED燈具（含紅、綠、藍、白4種顏色），紅色芯片（30 W）、綠色芯片（48 W）結溫到散熱片的熱阻為0.80 ℃/W，藍色芯片（33 W）結溫到散熱片的熱阻為1.2 ℃/W，白色芯片（32 W）結溫到散熱片的熱阻為0.83 ℃/W。這樣可以計算出4色LED的P-N結點到散熱片的溫差：

紅色芯片： △TH= 0.80×30 =24℃

綠色芯片： △TG= 0.80×48 =38.4℃

藍色芯片： △TB= 1.2×33 = 39.6℃

白色芯片： △TW= 0.83×32 = 26.56℃

式中：

△TH— —紅色芯片的P-N結到散熱片的溫差，℃

△TG— —綠色芯片的P-N結到散熱片的溫差，℃

△TB— —藍色芯片的P-N結到散熱片的溫差，℃

△TW— —白色芯片的P-N結到散熱片的溫差，℃

由此可見，如果散熱片的溫度是60℃（正常情況下散熱片的溫度不應超過這個溫度），LED芯片的結點溫度還不到100℃。因為熱阻較以前有了大幅度的降低，所以很有利于提高LED的光效及壽命。飛利浦公司稱該款燈具的芯片壽命超過60 000 h。

最近，佛山飛達影視器材有限公司推出一款200 W的LED燈具，由于從芯片到基板采用了新型的散熱技術，并在基板后使用了熱管及低噪聲風扇，使總熱阻變得非常小。在環境溫度為30℃的條件下，燈體溫度不超過45℃，LED基板焊點溫度不超過55℃。這樣，就確保了燈具的高光效及長壽命。

由此可見，減小各個環節的熱阻是制造商在大功率LED燈具設計中需要重點攻關的課題，這涉及到燈具效率、光源壽命等多項指標。可以說，燈具散熱的好壞，是決定燈具生命力的重要因素之一。

［1］楊清德，楊蘭云. LED及其應用技術問答. 北京：電子工業出版社，2011

［2］周志敏，紀愛華. 大功率LED照明技術設計與應用. 北京：電子工業出版社，2011

［3］方志烈. 半導體照明技術. 北京：電子工業出版社，2009