LED路燈的散熱設計研究

摘 要：LED路燈的設計較傳統燈具復雜，包含光學、機械、電子及散熱等，其中散熱尤其重要。文章從LED芯片光源和燈具結構的散熱設計入手，對LED路燈的散熱設計進行了分析。

關鍵詞：LED路燈；散熱設計；研究分析

前言

LED作為一種具有巨大發展潛力的固體發光光源，具有壽命長、功耗低、外形小、色彩多、響應快、綠色環保等優點，得到了越來越多的人關注。LED光源也從最初的電源指示燈，發展為近年的交通信號、大屏幕顯示背投照明、景觀照明的使用光源，并越來越多地應用到道路照明和隧道照明等功能性照明領域。但是，LED路燈產品開發還存在許多亟待解決的問題，其中散熱問題是制約該產品推廣應用的關鍵問題。

1 LED路燈散熱問題分析

LED光源的光轉換率僅有20%，輸入功率的80%被轉換成熱能，如果不能將熱能散發掉，將大大影響LED的使用壽命，也會降低LED的發光效率，導致嚴重光衰。而問題在于LED產生的熱能大部分只能采用傳導方式散發，因此這些熱能需要一個較長的路徑才能散發到周圍環境中。如何使得LED光源溫度保持在一個相對合理的水平，保證光源能夠穩定工作，是LED路燈亟待解決的問題。同時，為滿足照明功率需要，路燈上的LED布置成多顆光源，當LED密集排列組成白光照明系統時，熱量的耗散問題更嚴重，散熱問題成了影響LED路燈性能的關鍵指標。

2 LED路燈的熱阻分析

路燈在散熱過程中的熱阻主要由四部分組成：LED封裝芯片的熱阻，粘結材料的熱阻，熱源與熱沉間的擴散熱阻以及熱沉與環境間對流換熱熱阻。一個LED路燈含有多顆LED，因此擴散熱阻為多個并聯的關系。上述四個熱阻中，芯片熱阻一般由封裝芯片工藝決定，粘結部分的熱阻與制作時的涂覆工藝及粘結材料有關，擴散熱阻是一個和芯片布置方式和尺寸關系十分密切的物理量，對流換熱熱阻涉及較為復雜的對流換熱過程，其大小取決于燈具的散熱設計。

3 LED路燈散熱解決方案

要解決LED路燈散熱問題，必須從上述的四部分熱阻入手，用倒裝芯片技術減少LED封裝芯片的熱阻；選用高導熱粘結材料解決鍵合材料的熱阻；采用適當的材料減小熱源與熱沉間的擴散熱阻，合理的設計燈具結構解決熱沉與環境間對流換熱熱阻。簡單地說，該方案包括解決LED光源的散熱設計和燈具的散熱設計兩部分，只有做好這兩部分的工作，就能較好解決LED路燈的散熱問題。

3.1 光源的散熱設計

LED的內部熱沉通過粘結層將熱量傳遞給金屬線路板，再由線路板通過粘結層傳遞給散熱器，散發到周圍環境。封裝工藝、鍵合材料、基板材料是光源的散熱設計的重點。

3.1.1 封裝工藝

倒裝芯片結構與正裝結構相比，熱量不經由藍寶石襯底，而是由焊接層傳導至Si襯底，再經Si襯底和粘接材料傳導至金屬底座，該結構具有優越的電學及熱學性能。

3.1.2 鍵合材料

大功率LED芯片采用的鍵合材料一般為固化體系導電銀膠。導電銀膠可分為室溫固化導電銀膠、中溫固化導電銀膠、高溫固化導電銀膠、紫外光固化導電銀膠等。隨著技術的發展，納米銀層因良好的導熱導電性，更簡單的結構，將成為LED封裝技術的發展方向。

3.1.3 氮化鋁基板

氮化鋁基板具有熱傳導系數大、強度和硬度高、制造成本低等優點，熱導率一般在200W/m·k，能大大改善系統的可靠性，在大功率LED封裝中開始應用。

3.2 LED路燈散熱結構設計

LED路燈散熱結構設計的一般原則是：（1）結構層越少越好；（2）層的厚度越薄越好；（3）層的面積越大越好；（4）材料的導熱系數越大越好；（5）燈的外形以長方形和環形較好。對于LED路燈而言，散熱方案應該采用以被動式散熱為主，主動式散熱為輔的原則，盡量少用或不用。散熱結構方案選擇分析如下。

3.2.1 散熱器系列

散熱器具有增加散熱效果，即增加其表面與空氣的接觸面積，散熱器的外表面可被制成鰭片狀。鰭片的形狀也有多種多樣，并且鰭片的數量、位置、尺寸大小、傾斜角度及厚薄等都需要進行認真研究，除了常見的直線形外，還有波浪形、螺旋形、圓柱形和錐臺形等，目的是為了便于空氣對流、雨水沖刷，以獲得最佳的散熱效果。在使用的材料上，銅的導熱性能比起鋁要快得多，但銅的散熱沒有鋁快，由此便形成了一種新型的銅鋁復合型散熱器-將銅鋁各自的優點結合起來，銅可以快速地把LED芯片的高熱量傳給鋁，再由大面積的鋁鰭片把熱量散去，從而達到更加良好的散熱效果。在實際的設計中，一般采用燈殼與外置式散熱器一體化設計、內置式散熱器與溫控風扇兩種方式。

3.2.2 熱管系列

對于功率較大、需要散熱能力較強的LED路燈，熱管是理想的散熱器。大功率LED工作時產生大量熱量，熱量通過LED的熱沉部位傳遞給了純鋁塊，純鋁塊對嵌套在其內部的熱管進行加熱，熱管內有高真空狀態的工質（純水或其它液態物質），在蒸發段使其工質相變為等溫飽和蒸汽，蒸汽越過絕熱段后抵達冷凝段。由于沿途幾乎沒有熱損耗，故在冷凝段蒸汽溫度不變，并與熱管冷凝段內壁發生對流傳熱，將所攜帶熱量傳遞給熱管內壁。通過熱傳導作用再將熱量輸送到熱管外壁和貼附于熱管外壁上的金屬散熱片中。最后，借助散熱片與周圍冷卻空氣的自然對流傳熱過程將熱量從散熱片上帶走，而釋放出汽化潛熱的蒸汽則又相變為液體，并在重力作用下返回到蒸發段再加熱汽化。目前在路燈上應用的方式主要有熱管加鰭片、均溫板加熱管加鰭片、熱管加鰭片加溫控風扇等。

4 結束語

本文從LED光源的散熱設計、LED路燈的散熱設計兩方面探討了LED路燈散熱采用的技術方案，給出了建議。希望LED路燈散熱設計的研究得到進一步發展，以滿足大功率LED路燈照明的要求。

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