LED光源散熱不良的原因及對策

摘 要

隨著LED光源的廣泛應(yīng)用，LED光源的散熱問題也越來越受到重視，散熱不良限制了LED產(chǎn)品性能的拓展、降低了產(chǎn)品壽命、提高了對安裝方式及配套設(shè)備的要求。因此，解決LED散熱問題勢在必行。本文闡述了LED光源散熱不良的成因及后果，針對LED的散熱途徑進(jìn)行分析，深化了LED散熱問題的應(yīng)對方法。

【關(guān)鍵詞】LED 散熱 熱傳導(dǎo)

1 LED光源散熱不良的成因及后果

1.1 LED光源散熱不良的成因

（1）LED光源發(fā)熱量大的部分原因與其他光源一樣，輸入的電能并沒有完全轉(zhuǎn)化為光能，而是一部分轉(zhuǎn)化為熱能。LED的電光轉(zhuǎn)換效率只有30%左右，大約70%的電能都以熱量的形式需要被良好散發(fā)。

（2）不僅如此，由于LED照明屬于固態(tài)照明，LED光源與其組件直接接觸，在 LED組件上產(chǎn)生的單點(diǎn)集中高溫?zé)o法與LED光源隔離，因而增大了散熱難度，LED光源熱處理問題較傳統(tǒng)光源復(fù)雜得多。

（3）LED照明為了實(shí)現(xiàn)日常照明的應(yīng)用目的，必須通過加大單組光源的功率來提高光通量輸出，一般情況下，會(huì)采取多LED單元組合以加強(qiáng)輸出效果。此外，也可以通過提高單個(gè)LED單元的光通量輸出來實(shí)現(xiàn)，此舉必須輸入更大的電流，使LED芯片的PN結(jié)面產(chǎn)生更多光通量，但更大的電流也會(huì)讓LED單元的溫度加速升高。

1.2 LED光源散熱不良的后果

LED光源散熱不良直接導(dǎo)致LED的使用壽命降低；燈具材料反復(fù)高溫氧化，引起LED組件及燈具品質(zhì)下降；熱量積聚，造成電子元器件過熱而損壞，引起電子故障。

因此，必須建立科學(xué)高效的散熱機(jī)制，采取更多創(chuàng)新方法進(jìn)行散熱處理。

2 LED散熱問題的應(yīng)對方法

2.1 方法一：散熱器采用銅、鋁結(jié)合制造工藝

LED光源的散熱器常用鋁和銅兩種材質(zhì)。鋁散熱器是早期最為常見的散熱器，其制造工藝簡單，成本低，到目前為止，鋁散熱器仍然占據(jù)著相當(dāng)一部分市場。銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)是鋁的1.69倍，不過銅的質(zhì)地是個(gè)問題，機(jī)械加工性能不如鋁；同時(shí)銅的熔點(diǎn)比鋁高很多，不利于擠壓成形。

在考慮了銅和鋁這兩種材質(zhì)各自的優(yōu)缺點(diǎn)后，目前市場部分高端散熱器傾向于采用銅、鋁結(jié)合制造工藝，這些散熱器通常采用銅金屬底座，散熱鰭片采用鋁合金。憑借出色的熱傳導(dǎo)系數(shù)，銅制底座可以迅速吸收LED釋放的熱量；鋁制鰭片則可以借助現(xiàn)代工藝手段制成最有利于散熱的形狀，在提供較大的儲(chǔ)熱空間的同時(shí)快速釋放熱量，這種工藝在各方面找到了的一個(gè)均衡點(diǎn)。

2.2 方法二：LED與其基板以共晶或覆晶的方式一體化

由于LED膨脹系數(shù)與常用的金屬導(dǎo)熱、散熱材料膨脹系數(shù)差距很大，因此不能直接將LED焊接在該材料上，以免產(chǎn)生的高、低溫?zé)釕?yīng)力破壞LED。如果將LED與其基板以共晶或覆晶的方式連結(jié)，會(huì)大幅增加經(jīng)由電極導(dǎo)線至系統(tǒng)電路板間的散熱效率，但是此制作方式對于基板的布線精確度、基板線路表面平整度要求極高，這就使得厚膜及低溫共燒陶瓷基板的精準(zhǔn)度受制作過程中網(wǎng)版張網(wǎng)問題及燒結(jié)收縮比例問題影響而降低成品率。目前多以導(dǎo)入薄膜陶瓷散熱基板解決此問題。薄膜陶瓷散熱基板以黃光微影方式制備電路，輔以電鍍或化學(xué)鍍方式增加線路厚度，使得其產(chǎn)品既滿足線路高精準(zhǔn)度又實(shí)現(xiàn)高平整度的要求。共晶或覆晶制作過程輔以薄膜陶瓷散熱基板勢必將大幅提升LED的發(fā)光效率與產(chǎn)品壽命。

2.3 方法三：采用熱管作為散熱器

熱管是一種典型的傳熱元件，它充分結(jié)合了熱傳導(dǎo)原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳導(dǎo)性質(zhì)，通過全封閉真空管內(nèi)液體的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可根據(jù)需要設(shè)置、遠(yuǎn)距離傳熱、溫度可控等一系列優(yōu)點(diǎn)，并且由熱管組成的散熱器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)靈活緊湊、流體阻損小等優(yōu)點(diǎn)，其熱傳導(dǎo)能力超過已知所有被選作散熱器材料的金屬的導(dǎo)熱能力。

2.4 方法四：SynJet

SynJet的基本原理是一個(gè)類似振動(dòng)薄膜的部件，以一定頻率振動(dòng)進(jìn)而壓縮薄膜腔內(nèi)空氣，空氣受壓縮后從細(xì)小的固定噴嘴高速噴出，形成空氣射流噴向散熱片，同時(shí)空氣射流帶動(dòng)散熱片周圍的空氣流動(dòng)進(jìn)而帶走熱量。該技術(shù)最先用于數(shù)控機(jī)床芯片的散熱，現(xiàn)在引入LED照明散熱，主要用于替代LED的散熱風(fēng)扇。

在應(yīng)用SynJet散熱組件時(shí)，有一點(diǎn)要特別注意，整個(gè)燈杯要有開口或開敞，保障內(nèi)外空氣交換，否則SynJet的散熱效果會(huì)降低不少。

2.5 方法五：離子風(fēng)散熱技術(shù)

離子風(fēng)散熱技術(shù)的基理，是利用正負(fù)電子中和的原理，使一對電極中的一端產(chǎn)生正離子，飛向另一端的負(fù)離子，離子的運(yùn)動(dòng)過程帶動(dòng)空氣流動(dòng)形成穩(wěn)定氣流，即產(chǎn)生“離子風(fēng)”進(jìn)而帶走熱量，此方法在完全沒有運(yùn)動(dòng)部件的情況下實(shí)現(xiàn)了靜音散熱。

離子風(fēng)的散熱技術(shù)與目前主流散熱技術(shù)相比，可以提升250%的散熱效率。采用這種技術(shù)的離子風(fēng)引擎兩端各設(shè)置一個(gè)高壓電極，正負(fù)電極之間的電壓差高達(dá)數(shù)千伏，在此電壓條件下，空氣中的氣體分子可以輕易實(shí)現(xiàn)離子化，此過程產(chǎn)生的離子風(fēng)可以高效的帶走LED所產(chǎn)生的熱量。目前技術(shù)人員正在努力實(shí)現(xiàn)低電壓環(huán)境下離子風(fēng)技術(shù)的運(yùn)行。

3 結(jié)束語

目前，各國照明學(xué)術(shù)界均對LED光源作為第四代光源領(lǐng)軍者的地位堅(jiān)信不疑，盡管目前LED光源還有散熱等方面的困難存在，相信隨著社會(huì)需求力量的推動(dòng)，LED光源終會(huì)不斷優(yōu)化自身性能，進(jìn)軍更大的照明領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)

[1]黃元昊，楊連喬，張建華.LED熱學(xué)性能測試方法的研究綜述[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2012（05）.

[2]謝明君，鄭國宏.便攜式密封電子設(shè)備的自然散熱設(shè)計(jì)[J].無線電通信技術(shù)，2014（02）.

[3]王攀藻.電子產(chǎn)品的散熱設(shè)計(jì)研究[J].科技致富向?qū)В?010（18）.

[4]曹新民.論電子單板散熱設(shè)計(jì)探究[J].電子制作，2013（08）.

作者簡介

陸楠（1982-），男，安徽省阜陽市人。大學(xué)本科學(xué)歷。現(xiàn)供職于徐州華軍建筑設(shè)計(jì)有限公司。

作者單位

徐州華軍建筑設(shè)計(jì)有限公司 江蘇省徐州市 221600