LED照明光源的溫升與散熱

鄭建紅，李杰峰

唐山職業技術學院機電工程系，河北唐山 064002

LED照明燈具作為第四代照明光源，具有節能、環保、壽命長、體積小等特點，且LED光譜中沒有紫外線和紅外線，熱量低和無頻閃、無輻射，廢棄物可回收，沒有污染，不含汞元素，屬于典型的綠色照明光源。作為一種高效節能的新型光源，由于生產工藝和性能不斷進步，LED照明逐步取代其它照明領域已經成為一種必然趨勢。

1 LED照明光源溫度升高的原因分析

目前限制LED照明發展的限制因素除成本外，就是散熱問題。LED屬于半導體發光器件，隨著自身溫度的變化，其特性會有明顯的變化。研究表明，LED的結溫越高，光源越早出現光衰，壽命就越短。若以光衰降至70%時作為LED正常使用的標準，當結溫為65℃時，LED壽命更可達到9萬小時～10萬小時；結溫升到75℃，壽命降至5萬小時；結溫為95℃時，壽命為2萬小時；當結溫為105℃時，光源壽命只有一萬多小時。由此看來，延長LED光源壽命的關鍵就是要降低結溫，加速LED燈具的散熱效果。

LED在電源的驅動下，不僅產生光能，還產生大量熱能。對于LED芯片來說，體積較小，其本身的熱容量也很小，產生的熱量不能及時傳導出去，因此會產生很高的結溫。LED光源，除了作為可視光消耗的能量外，其它能量都轉換成了熱能，大約70%的電能都變成了熱能。另外，由于LED封裝面積小，通過對流和輻射的散熱少，也使LED光源積累了大量的熱，使LED光源的溫度升高。

2 LED照明關于散熱不良的危害

2.1 電子元件變形

LED燈具由多個電子元件構成，每個元件的材質的熱膨脹系數也不一樣。當溫度升高時，組合在一起的元件的膨脹率就不一樣，就可能使材質發生彎曲變形，甚至會在連接處因為應力過大產生裂紋。

2.2 電子元件燒斷

LED作為熱源的半導體元件，當溫度上升時，其阻抗就會變小，電流增加，熱能增加，溫度上升，這樣周而復始的惡性循環，容易發生電子元件燒斷的電路故障。

2.3 加速封裝材質老化

LED芯片的封裝多采用環氧樹脂，當溫度升高時容易氧化、老化和脆化，使得其對光的透射率下降，進而造成LED的出光量降低，溫度越高此現象越明顯。經過反復經過高溫作用，材料多次膨脹和冷縮，會降低材料的強度，從而破壞了材料的性能而失效，影響其使用壽命。

3 LED照明光源散熱措施

3.1 加強LED芯片的散熱

為了改善LED芯片本身的散熱，其最主要的就是采用導熱更好的襯底材料， 盡可能地把熱量引出到芯片外面。目前，應用較多的襯底材料為硅和碳化硅，大大改善芯片的散熱效果。LED芯片封裝以后，從芯片到管腳的熱阻也是影響芯片散熱的一個因素。熱阻越大散熱效果越差，適當的減小熱阻，可以增加芯片的散熱效果。

3.2 采用導熱較好的電路基板

LED芯片所產生的熱量最終通過燈具的外殼散到空氣中去。如果散熱不好，較少熱量的積累就會使得芯片的結溫迅速提高，如果長時期工作在高結溫的狀態，它的壽命就會很快縮短。然而這些熱量要能夠真正引導出芯片到達外部，就必須采用導熱較好的電路基板，使LED產生的熱量迅速傳導出去。目前常用的電路基板為鋁基板、銅基板和陶瓷鋁基板。

3.3 散熱器的使用

散熱器的作用就是把導熱材料傳導至散熱器的熱量通過對流和輻射散發到空氣中去。為了加大散熱面積，往往把散熱片做成鰭片形狀。對流的散熱效果往往和空氣的流速有密切關系，為了加強對流散熱的效果，可采用強制風冷的方式來加強散熱。目前，市場上應用較多的散熱器主要有純鋁、純銅散熱器和銅鋁結合散熱器。

3.4 減小電路基板和散熱器之間的氣隙

LED芯片產生的熱量雖然可以傳遞到電路基板上，但還必須和散熱器連接，通過散熱器把熱量散發到大氣中去。把電路基板和散熱器連接在一起的方法是用鉚釘或螺釘來進行連接的，因此在基板和散熱器之間往往會形成空氣隙，即使很小的空氣隙產生的熱阻也會比其他熱阻大幾十倍。為了減小或消除氣隙，往往在兩者縫隙當中涂上一層導熱膠，可以緊貼零件上的凹凸部位，從而消除了氣隙的存在。

3.5 采用熱管散熱

熱管屬于一種傳熱元件，它充分利用了熱傳導原理與制冷介質的快速熱傳遞性質，通過在全封閉真空管內液體地蒸發與凝結來傳遞熱量，具有極高的導熱性、良好的等溫性，冷熱兩側的傳熱面積可任意改變，可遠距離傳熱，可控制溫度等一系列優點，并且由熱管組成的散熱器具有傳熱效率高、結構緊湊、流體壓力損失小等優點，其導熱能力已遠遠超過任何已知金屬的導熱能力。

目前LED的發光效率還是比較低，從而引起結溫升高，壽命降低。為了降低結溫以提高壽命就必須十分重視散熱的問題。過去的LED路燈在長期工作中的大量失效，一半以上是由于散熱設計欠缺所引起，因此LED照明光源的散熱設計必須從芯片開始到整個散熱器，每一個環節的問題都會引起嚴重的散熱不良，對散熱的設計必須給以充分的重視。

[1]朱輝朝，張立賢.LED綠色照明產業發展趨勢分析[J].科技創新與生產力，2010(5).

[2]王晏，韓宏偉.LED照明產業的現狀與前景分析[J].青海科技，2010(5).

[3]邴樹奎，高杰.LED在照明工程中的應用[J].照明工程學報，2010(5).

[4]葉榮南.LED路燈用于城市道路照明的探討[J].照明工程學報，2009(S1).

[5]吳淑梅，霍彥明，徐梅.LED光源在照明中的應用[J].光源與照明，2008(3).

[6]姜鳳山，李兵，等.LED背光源熱設計研究[J].現代顯示，2009(5).