大功率LED燈散熱設計技術

曾傳銳　陳繼榕　吳趙平

摘 要：大功率LED燈在發光效率、使用壽命和光輸出定向性等技術參數方面的性能均優于常規高壓鈉燈，因此被廣泛應用于多個領域，尤其是在道路照明領域的應用非常普遍。散熱性能差是大功率LED非常突出的一個問題，并且燈具的散熱性能在一定程度上也會影響燈具的使用壽命，因而要使大功率LED燈具得到更廣泛的應用，就必須解決散熱問題。本文將在結構、材料等方面提出可行的設計方案，旨在優化大功率LED的散熱性能，降低其應用約束條件。

關鍵詞：大功率LED；燈具；散熱性；構成形式

中圖分類號：TN312 文獻標志碼：A

LED燈在產生光能的同時，也有一部分電能轉換成熱能導致LED燈具內部溫度升高，當燈具內部溫度超過允許界限之后可能會降低LED的發光效率、燒壞LED晶片、縮短其使用壽命，并且LED的產熱量與LED的功率成正比。可見散熱問題是大功率LED應用和發展的最大阻礙，而如何使這部分熱量快速散發出去是業內人士普遍關注的問題。

1 大功率LED燈的散熱分析

1.1 大功率LED燈的產熱及散熱過程

LED燈的發熱源：成品LED的光源就是LED的發熱源，LED輸入功率的70%左右將以熱量的形式發散出去。從照明原理及其基本架構來看，可概括為“一源兩面”。“一源”指的是LED的光源，用來充當照明所需的光輸出；“兩面”分別指發光面和發熱面。

導熱器件及均熱器件：導熱器件及均熱器件通常是指PCB板子上的金屬（一般為鋁材質的）部分，常被稱作“一次器件”。導熱器件和均熱器件的主要功能是將LED在放光過程中產生的熱能導出來，同時將所有熱點的熱量均勻化，從而提高整體的散熱效率。

散熱器件：大功率和中等功率的LED照明燈的散熱器件主要由鋁材構成，通常被稱作“二次器件”。散熱器件采用專門的鑄造工藝，例如利用壓鑄、擠壓、鍛造以及表面涂覆等工藝制造，熱量最終在空氣對流的作用下被發散掉。此外，超大功率的LED燈還可以應用熱管散熱器技術來增強散熱能力。

1.2 大功率LED燈的散熱要求

具有較強的導熱和均熱性能：散熱器件的總體熱阻是由LED燈具所有的接觸面逐層累計得到的，LED吸熱面中的熱傳導阻抗是總體熱阻中不可忽略的一部分。其與LED燈具之間的熱阻抗越小，則越容易快速地吸收LED產生的熱能，同時將這部分熱能高效率地傳導至翅片上。

總體上具有較小的熱阻抗：為有效提升導熱器件或散熱器件的吸熱能力，應將導熱器件或散熱器件盡可能地與LED模塊緊密結合，甚至達到零空隙。但現實中導熱器件或散熱器件的吸熱面與LED模塊之間總存在很小的空隙。因此，應選擇使用較小熱阻抗、較強適應性的材料來填充空隙，這種材料就是我們常用的導熱膏，其能有效減少接觸熱阻，從而減小整體熱阻抗、提高散熱效率。

熱量發散迅速：加工時，將散熱器件的吸熱面與散熱翅片加工成一個整體，從而將吸收到的熱量迅速傳送至散熱翅片部分發散出去。此外，散熱翅片的間隙應與空氣流動方向相一致，以防止空氣氣流遇障礙形成漩渦造成熱氣滯留。

2 大功率LED燈散熱的改進設計

2.1 優化散熱片

目前，成品LED燈具大部分都是應用散熱片散熱。而散熱片散熱主要是依靠散熱金屬的表面與空氣進行對流，進而散熱。因此，散熱片的形狀、材料及散熱面面積是決定散熱片散熱性能的最重要因素。散熱片的主要尺寸包括散熱翅片厚度、翅片間距、翅片高度以及散熱底板厚度等。根據相關實驗研究：①隨著散熱翅片間距的增大，芯片結溫先減小后增大；②隨著散熱片基板厚度的增大，芯片結溫先減小后趨于穩定；③隨著散熱翅片高度的增加，芯片結溫先快速降低，隨后緩慢降低并最終趨于穩定。因此，可根據實際實驗測試數據選擇最優的散熱翅片間距、厚度及高度搭配。

2.2 加裝熱管或均溫板

熱管具有很好的導熱性能，其外部是銅制表面，內部由吸液芯及冷凝液組成。經過液氣兩相的循環，能高效地將LED所產生的熱量導出并發散出去。均溫板的散熱原理與熱管極為相似，但是熱管為一維單向傳熱而均溫板是二維面傳熱，因此均溫板較熱管更容易分散熱量，同時更能減小擴散熱阻抗。

熱管在LED散熱的應用方式有多種，其中常見的形式包括：將LED燈芯片直接焊裝在熱管吸熱端頂部，將熱管加工成平板式、回路式等具有特定結構的形式之后進行安裝。熱管最突出的特點是其能將LED所產生的熱量迅速傳導至較遠的位置，從而方便散熱裝置的設計，使散熱器件在實際中的應用更靈活方便。此外，根據相關實驗研究發現，用均溫板材料制造的散熱片比常規的散熱片具有更好的散熱效果。

3 優化界面材料

熱量以物體為載體進行熱傳導時遇到的阻礙，被稱為導熱熱阻；當熱量在兩物體之間傳導時，兩固體之間的縫隙阻礙熱量傳導的現象稱為接觸熱阻。熱阻抗參數反映的是阻止熱量傳導的能力，其值等于熱流通道上的溫度之差再除以耗散功率。在LED燈具制造過程中，常用導熱膏來填充兩接觸固體之間的縫隙，從而降低接觸熱阻。但導熱膏通常是由導熱硅膠或銀膠等界面材料制成的，而這些界面材料本身的導熱性能并不理想，成為制約散熱的瓶頸。因此，在設計散熱器件時，應拿出相當的精力放在界面材料的選擇上。

4 加裝風扇

加裝風扇是風冷強制型散熱，其通過調整空氣對流而影響熱傳導和熱發散，加裝散熱風扇能夠在很大程度上改善散熱片的散熱效果、提高散熱效率。加裝風扇常選擇的方案為：在散熱翅片的垂直端面上加裝類型為intake的軸流風扇。研究結果表明，在加裝了質量流量為0.01㎏/s的散熱風扇之后，LED芯片的最高溫度下降了9.77℃左右；而在加裝了質量流量為0.02㎏/s的散熱風扇之后，LED芯片的最高溫度下降了16.02℃左右。可見，加裝散熱風扇能夠顯著改善LED的散熱性能。但同時，加裝散熱風扇還存在如下幾個問題：①散熱風扇的壽命與LED的壽命匹配如何做到最佳，市面上散熱風扇的壽命平均在幾千個小時左右，但是LED的壽命平均在5萬個小時以上；②加裝散熱風扇會增加LED燈的體積，使整體顯得復雜且笨重。可見，在將散熱風扇加裝到LED上時，應充分考慮上述兩個問題，在影響不大的情況下可考慮加裝散熱風扇來提高散熱效率。

結語

發光二極管即LED是當前應用最普遍的新型冷光源之一，它本身具有高效節能、使用壽命長、對環境幾乎不產生污染等優點，在各大領域得到了非常廣泛的應用，并成為了21世紀發展前景最廣闊的光源之一。但是對于功率較大的LED來說，其本身在發光的過程中會產生過多的熱量，如果這部分熱量無法及時發散，則會很大程度地損壞LED。為此，本文總結了優化散熱片、加裝熱管或均溫板、優化界面材料和加裝散熱風扇等方法來提高LED的散熱效率。

參考文獻

[1]王長宏，謝澤濤，鄒大樞，等.大功率LED散熱器的數值模擬與優化[J].電子元件與材料，2015，34（6）：44-47.

[2]張淼，華楚霞，林澤坤.功率型LED燈散熱器優化設計研究[J].光電子技術，2014，34（1）：63-67.

[3]王忠鋒，黃偉玲，白金強.大功率LED燈具散熱的優化設計[J].照明工程學報，2014，25（3）：84-88.

[4]鐘玉華，孫國輝.大功率LED燈強化冷卻散熱器的創新設計[J].科學技術與工程，2013，13（23）：6888-6892.