淺談半導體燈具的散熱機構設計

傅海勇

摘 要：LED燈珠是一種半導體材料，與普通二極管一樣具有PN結，由于高亮二極管的功率相對比較大，所以與功率半導體器件相同，需要考慮散熱問題，結溫過高會直接影響LED燈珠的壽命，并且會增大LED燈珠的光衰，情況嚴重的會將LED燈珠燒壞，所以如何有效提高半導體燈具的散熱效果成為人們關心的問題之一。文章探討半導體燈具的散熱機構設計，希望能在室內外照明及裝飾等諸多領域得到推廣與應用。

關鍵詞：半導體 LED 燈具 散熱

1 散熱機構的設計與半導體燈具壽命息息相關

對于半導體燈具設計，散熱機構設計是設計中的重要一環，散熱機構設計能減少材料從而節約成本、提高LED燈珠的可靠性與壽命，長時間工作使用會比較容易造成每個器件性能降低，半導體燈具急速光衰，并造成安全事故，嚴重影響用戶體驗。

2 半導體燈具的散熱器制造工藝現狀

傳統的半導體燈具僅僅將LED燈珠嵌設在鋁材質制造而成的散熱體內，利用鋁材質良好的散熱性能，將LED燈珠產生的熱量散發出去，進而降低LED燈珠工作時升高的溫度。尤其是對于大功率LED燈珠矩陣都會通過配置大型散熱體來解決散熱問題，然而問題隨之而來：一方面，半導體燈具的總功率不斷上升，為增加散熱面積其對應的散熱體也越做越大，導致了許多額外成本開銷，燈具的重量也無法接受；另一方面，由于LED燈珠在使用時還需安裝于專用光學燈罩內，有時候甚至是安置于一個相對密封的罩體中，由于密封的罩體內熱量無法與外界空氣形成對流，只能通過簡單的輻射和大熱阻的空氣進行很少的熱量傳遞。因此，現有LED燈珠即使使用散熱面積較大的散熱體，甚至散熱體上加置散熱風扇，也無法將LED燈珠發出的熱量迅速帶走，最終導致熱量囤積于散熱體上，使散熱效果大打折扣，從而影響LED燈珠的使用壽命。目前市面上的半導體光源燈具散熱器造型各異，散熱器的制作工藝大都是采用鋁材壓鑄成型工藝和擠壓型材切割工藝制造，導熱系數低、散熱器重量較大、耗材多、后加工復雜、生產效率低、生產成本高。

2.1 鋁合金壓鑄工藝

鋁合金壓鑄工藝和塑料注塑工藝原理接近，都是將原材料加溫成液態后填充到模具型腔形成產品，鋁合金壓鑄的材料有ADC12、A380、A360、YL113，常用的材料是ADC12，相對于其他材料，它更加容易成型，優異的后加工和機械性能。

優點：（1）一體化壓鑄成型，整體性強；（2）外觀可設計弧面，有利于工業造型。

缺點：（1）導熱系數低（約為96 W/M·K）；（2）表面處理受限制。

2.2 鋁擠出成型工藝

鋁擠出成型工藝目前在大功率路燈、隧道燈領域相對廣泛，近年來室內較少用。常用的材料為AL6063，相對于壓鑄ADC12材料，它具有很好的導熱系數（一般為200 W/M·K）。

優點：（1）導熱系數高；（2）容易做表面處理。

缺點：單向擠壓型材，外觀結構受到限制。

2.3 散熱鰭片拼接扣工藝

散熱鰭片常用的是五金沖壓加工得到，容易實現自動化生產，使用的材料有導熱鋁合金。

優點：（1）散熱面積多，需配合風扇形成空氣流效果才能更好；（2）重量輕便。

缺點：成本較高。

2.4 熱管結合散熱鰭片工藝

熱管結合散熱鰭片相對來看成本較高，同時對外觀和尺寸有一定要求。這將導致市面上一些小型公司放棄使用該項技術。

優點：（1）LED燈珠工作時發出的熱能快速傳導到散熱器散熱鰭片；（2）重量輕便。

缺點：（1）工藝相對復雜；（2）成本較高。

2.5 導熱塑料注塑成型工藝

導熱塑料分為兩大類：導熱導電塑料和導熱絕緣塑料。半導體燈具散熱器常用的是導熱絕緣塑料。導熱絕緣塑料主要成分包括基體材料和填料。基體材料包括PPS、PA6/PA66、PPA、PEEK等，填充材料包括AIN、SIC、AL203、石墨、纖維狀高導熱碳粉等。

優點：（1）一次成型，光澤度高；（2）絕緣性能優異，宜采用各種不同的電源方案。

缺點：（1）導熱系數低；（2）重量相對金屬較輕。

2.6 塑包鋁結構工藝

市面上現有的塑包鋁結構分為兩種：（1）導熱塑料和鋁件是獨立分開的2個組件，通常這種做法易成型加工，不需要先把鋁塊放置注塑模型腔內成型加工得到一體，而是后續通過機械固定結構將獨立分開的2個組件固定形成一個整體。（2）導熱塑料和鋁件是一體注塑成型加工得到的。

優點：表面為導熱塑料，絕緣性能好，安全。

缺點：成型工藝復雜。

3 半導體燈具散熱

熱量的3種傳遞方式有輻射、對流和傳導。一般而言，LED燈珠工作時會產生光和熱，散熱器通常就是要把LED燈珠工作時產生的熱散發出去，從能量層面來看，熱并非能量，其實只是傳遞能量的形式，當外界能量沖擊分子，能量就會由高能分子傳遞到低能分子，從微觀層面來看，能力的傳遞就是熱。通常，LED燈珠通過機械結構固定在散熱器表面，LED燈珠與散熱器的接觸良好是決定LED燈珠工作時產生的熱量傳導到散熱器的關鍵因素，半導體散熱器的散熱結構還需充分運用空氣對流換氣，通過傳導與對流，使LED燈珠工作時產生的熱量散發到空氣中。

4 設計優化散熱機構

4.1 半導體燈具散熱設計方法的選擇

散熱機構設計通常使用EFD、ANSYS軟件仿真，通常流體的固定邊界與黏性對流體的阻力所產生的影響，使得流體中的流體元素會小部分受沿程阻力的干擾，另一方面，半導體燈具通常需要增加風扇來加速空氣流動，由于風扇的增加會導致半導體燈具機構設計的復雜性，從另一角度來看，也會大大降低半導體燈具的可靠性。因此，半導體燈具的散熱器采用被動式自然散熱的方式，散熱器的外觀輪廓依據半導體燈具結構來定，因而直接利用半導體燈具外觀從而設計成整體式散熱器，針對散熱器接觸面平整度、基板厚度、散熱片狀條形狀、散熱片數量、散熱片厚度、散熱片與散熱片的空氣流動、散熱片與空氣接觸的面積等，按照散熱器相關設計準則進行優化設計，最后進行打樣測試和分析定論。

4.2 被動式散熱器設計

參照圖1和圖2，半導體燈具的散熱機構包括基板1和燈體2，基板1經過旋壓工藝拉伸出燈體2，再將燈體2上多余部分剪除使燈體2成圓筒狀，基板1經過五金沖壓扭曲后局部向上隆起形成帶拉開片4的散熱葉片3并形成通氣孔5，基板1上第一圍圓形排布設計有14條，第二圍圓形排布有36條向散熱器外部沖壓扭曲的散熱葉片3，拉開片4增加了基板1與散熱葉片3的接觸面積并且垂直分布，結合熱量向上散發的特性，從而加快散熱速度，提高整體性能。

5 結語

目前，半導體燈具得到廣泛應用，其具有體積小、重量輕、使用壽命長和節能效果極佳等優點，但是半導體燈具跟半導體一樣普遍存在發熱量大、熱量不易散發的問題，熱量的積累容易導致半導體光源壽命減少、發光效率降低。上述優化后的被動式散熱器設計具有制作工藝簡單、易一次性成型加工、扭曲過程中較少廢料、材料利用率高、生產成本低等優點。

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