LED燈具的散熱及可靠性分析

陳彪彪

（廣東永和建設集團有限公司 廣東廣州 510006）

作為新一代的照明光源，大功率發光二極管LED具有節能、環保、發光效率高、響應速度快，壽命長等突出優點，但LED的發光效率約為20%，剩下的80%的能量都轉換成熱量，熱量使大功率LED的溫度上升，導致工作電壓減小，光強減小，光波長變長，嚴重影響LED的可靠性與使用壽命[1～2]。

LED燈具一般由多顆點光源組成，為了保證器件正常工作，對燈具散熱管理很重要，良好的散熱設計是燈具質量及可靠性的保障。本文介紹了LED燈具的基本特點；從熱力學的角度，簡單分析了LED熱傳導的過程，熱對流與熱輻射機理；探討了影響LED燈具可靠性的因素。

1 關于LED燈具

LED燈具的關鍵技術包括LED光源、驅動電源、電路結構、散熱管理和配光，簡單地說，就是光（透鏡的配光）、色（光的品質）、電（電路設計）、熱（散熱設計）四部分，而把這四大功能相結合的就是結構的設計。

LED燈具通常由不同的部件通過結構設計拼裝成型，LED光源通過散熱器上的螺絲孔位或彈簧卡扣與燈具外殼連接固定，完成機械結構連接；能量接口采用連接導線完成電源驅動器與光源的連通，燈具通電后，半導體發出的光通過透鏡照射到工作面上。

光源模塊是一個集合配光、散熱及防護等級功能精心設計的組合，是燈具的核心部分；在配光方面，采用二次光學透鏡設計，可以實現所需要的各種照明效果；在散熱方面，采用模塊化設計，光源熱分散了，通過優化散熱設計，可以大大降低芯片結溫，提高照明效率。

2 LED燈具的散熱分析

LED燈具散熱是一個系統工程，本節以LED光源模塊為分析對象，從熱力學的角度，分析LED的熱傳導過程；在整個燈具散熱時，分析了熱對流與熱輻射機理。

2.1 LED熱傳導

LED的散熱管理要通過封裝來實現，對于封裝好的LED燈珠，電流流過芯片，發生電光轉換機理，一部分轉換為光能，另一部分轉換為熱能。第一層級的熱傳導是封裝，主要是將熱量從芯片導出來，熱量由芯片流經封裝支架；第二層級的熱傳導通過LED燈珠的焊接實現，LED燈珠焊接在鋁基線路板上，完成熱量傳遞和LED燈珠間的電器連接；第三層級的熱傳導在鋁基線路板與散熱器之間，散熱器吸收鋁基線路板上的熱量；第四層級的熱量一部分通過熱傳導至燈具外殼，另外一部分將由散熱器散發到空氣中。如圖1所示為LED從芯片到空氣的熱傳導示意圖。

圖1 LED熱傳遞過程

熱傳導的效率決定于熱流通道的熱阻[3]，必須設計一個熱流通道將LED芯片所發出的熱能逐層傳遞到散熱器上。熱流通道上的每個環節都存在熱阻，該熱阻影響兩連接端的溫度差，通過減小接觸界面的熱阻，可以大大提高傳熱效率，選擇良好的熱傳導介面材料對散熱的影響至關重要。

2.2 LED燈具熱對流與熱輻射

自然對流依靠的是由空氣密度差引起的浮升力，流量一般較小，流體內溫度梯度也小，因而其換熱效率較低，可通過適當設計燈具散熱片間距可增強肋間氣流的擾動，使換熱系數增大。自然對流依靠溫差驅使流體流動和將熱量傳遞給流體，對流速度由溫度場產生并反過來又影響溫度場。熱輻射是以輻射波的形式達到熱交換的目的，通過我們前期的試驗對比，對散熱器和燈具外殼，適當的表面處理，輻射能力可大大增強。

散熱器與燈具外殼的機械連接完成熱傳導，整個燈具與空氣間的散熱依賴于對流和輻射；通過優化散熱器結構，結合整個燈具的結構設計，形成垂直自然對流，大大提高散熱效率。

3 LED路燈的可靠性

LED的壽命長，目前理論上可以達到10萬h之久，但是由于受到LED驅動電源和其他零固件壽命的影響，從而使得LED燈具系統的壽命達不到10萬h。燈具的可靠性可分為光源模塊的可靠性，電源的可靠性，以及燈具材料結構的可靠性[4]。本節通過散熱管理和防護等級討論燈具的可靠性。

3.1 散熱管理

LED燈具故障大約70%來自于LED芯片溫度過高，在負載為額定功率的一半的情況下，溫度每升高20℃，故障率就上升一倍，結溫的升高會導致器件各方面性能的變化與衰減，散熱管理的最終目標是降低LED芯片結溫，一般來講，結溫要保持在125℃以下以避免失效，從而延長LED的使用壽命。

對于LED光源模塊，熱傳導主要發生在LED芯片與基板、散熱器之間，熱傳導的效率決定于熱流通道的熱阻，必須設計一個熱流通道將LED芯片所發出的熱能傳遞到散熱器上。通過前面的分析，通過減小接觸界面的熱阻，可以大大提高傳熱效率。

當熱量從芯片傳導出來至散熱器與燈具外殼，散熱器和燈具對空氣的散熱，主要由熱對流和熱輻射機制決定。通過優化散熱器設計，達到最大的與空氣對流換熱效率；對散熱器做表面處理，加強輻射散熱。散熱管理的最終目標是降低LED芯片結溫，最終提高LED燈具的可靠性。

3.2 防護等級

LED芯片十分脆弱，細微的劃傷就可能傷及電極，從而使得器件失效。如果長期暴露在空氣中的芯片會被氧化。芯片通過封裝，可以保護發光芯片不受機械、熱、潮濕及其他外部影響，達到一次防護目的。

對于室內燈具，防護等級要求較低，達到燈具的安全規定要求。對于戶外燈具，環境多變，對LED燈具的耐候性要求高，燈具材料要求防高低溫，抗紫外線輻射，光源模塊的防護等級高。電源驅動通過灌注耐寒、耐高溫、導熱性好、絕緣性好、阻燃性好的防水膠，將整個LED燈具的能量接口系統處于高防護狀態，保證了長期使用的可靠性。

根據不同使用場合設計LED燈具結構，通過良好的散熱管理和高防護級別，燈具整體的可靠性大大提高，壽命使用延長，最大的獲得新技術帶來的便利。

[1]劉木清，主編．LED 及其應用技術[M]．北京：化學工業出版社，2013．

[2]張正道．LED 燈具散熱設計概述[J]．光源與照明，2017，3．

[3]段繡娟，靳斌，等．基于大功率LED燈網的四熱阻自動測量儀[J]．西華大學學報（自然科學版），2017（6）．

[4]陳彪彪，呂桂紅．白光LED路燈的應用及分析[J]．中國科技縱橫，2015，6．