大功率LED燈的散熱性能分析

朱中平

摘要：近年來，LED燈在照明領域應用的越來越廣泛。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。關鍵詞：大功率：LED燈;散熱性能

中圖分類號：TN312

文獻標識碼：A

文章編號：2095-6487（2019）03-0101-02

0引言

以大功率LED燈具熱管理為入手點，從芯片級、封裝級、系統集成散熱級3個方面，對大功率LED燈散熱結構進行了簡單的分析。并依據大功率LED燈運行熱性能影響因素，對大功率LED燈散熱性能優化進行了進一步探究。

1大功率LED燈的散熱分析

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i6.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”[1。散熱器件采用專門的鑄造工藝，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。

2大功率LED燈的散熱性能影響因素

2.1翅片幾何參數及位置

一方面，在翅片達到額定高度之前，隨著翅片幾何高度的提升，大功率LED燈散熱性能也不斷提升。同理在翅片達到額定厚度之前，隨著翅片厚度的增加，大功率LED燈散熱效率也不斷提升[2]。另一方面，大功率LED燈散熱翅片高度、寬度、間距具有一致性，而其在長度、數量等方面的差異，也直接影響了大功率LED燈散熱性能。從大功率LED燈芯片溫度變化角度進行分析，芯片四側面翅片散熱效果遠高于上表層一翅片散熱效果。

2.2工作環境溫度

大功率LED燈工作外部溫度也對大功率LED燈表面散熱效率具有一定的影響。一般來說，在大功率LED燈表面與外界環境溫度差異較大時，大功率LED燈可達到最優散熱效率。

2.3散熱器材料類型

大功率LED燈散熱片主要以對流、熱輻射2種模式進行熱量散出。而在自然空氣對流的背景下，若選擇導熱性能良好的大功率LED燈散熱片材料，則可提高大功率LED燈散熱器散熱效果。

3大功率LED燈的散熱性能優化

3.1大功率LED燈散熱結構優化設計

一方面，基于翅片結構的散熱結構優化，以某型號大功率LED燈散熱片為例，依據翅片高度、長度對大功率LED燈散熱性能仿真模型分析結果，可得出當大功率LED燈散熱器翅片高度在0.05～0.07m之間時，芯片溫度波動較大，而大功率LED燈散熱器翅片高度在0.071～0.11m時，芯片溫度波動趨于平緩。據此，綜合考慮大功率LED燈散熱片形狀及成本因素，在散熱器內部結構優化過程中，可控制大功率LED燈散熱器翅片高度在0.05～0.11m之間[3]。同理，依據大功率LED燈長度與大功率LED燈散熱性能有限元分析結果，可控制大功率LED燈散熱器翅片長度在0.030～0.120m之間。另一方面，基于自然LED影視平板的散熱結構優化設計。以LED安全溫度范圍為依據，可采用18顆集成式LED光源，以3組的形式合理設置在LED光源傳熱面層上。在每組集成LED光源間可設置整體式凹槽，凹槽底部可設置散熱器支撐板，將整體散熱器劃分為2個模塊，即LED光源安裝區域、LED熱量散發區域。而在LED光源凸出模塊兩端可分別設置排列式缺口，便于散熱器安裝位置與LED光源位置的有效對應。在具體運行過程中，基于自然影視平臺的LED散熱結構散熱器、LED光源區連接通道主要為缺口、通孔。而整體LED燈具散熱系統傳熱載體為LED基板，即LED燈具中溫度最高位置。由LED芯片出發，通過缺口、通孔傳輸到LED基板中的熱量，大多以散熱器→散熱片→空氣為散熱線路;而在LED燈具基板之外的熱量，由于LED高溫基板的影響，區域內多余熱量可通過散熱片熱量通道散出。為了確定基于自然衍射平臺LED散熱結構具體數據，可在LED燈具熱平衡后，放置在溫度為32.0"C，濕度為55.0%，且無風扇或其他通風裝置的恒定溫濕度區域內，采用紅外線測溫儀對改造后LED燈具、改造前LED燈具各結構模塊熱分布情況進行探測，通過對LED改造后結構各模塊熱分布情況分析，可進行空氣冷熱交換流動模擬，從而得出具體通孔、缺口設置數據。此外，在大功率LED燈散熱片結構中，每一組散熱器翅片組合均具有一最高值，且相應散熱器翅片組合數量、間隙距離也與大功率LED燈散熱性能具有一定聯系。因此，為保證大功率LED燈散熱翅片間空氣正常流通，可控制大功率LED燈散熱片數量在12～16片之間。

3.2大功率LED燈散熱體材料選擇

散熱體材料對大功率LED燈散熱性能的影響主要體現在不同散熱材料導熱系數間差異。從定性層面進行分析，隨著導熱系數的增加，大功率LED燈表層熱阻會逐步下降，進而提高整體散熱體熱量傳導效率。常見的大功率LED燈散熱體材料主要包括銀、鋁、鋁合金、銅等幾種材料。其中，銀的導熱系數最大，為429.0W/（m.K），鋁合金的導熱系數最小，為155.0W/（m·K）。若單一從導熱系數角度進行分析，銀為大功率LED燈最佳散熱體材料。但是由于銀柔韌性不足，無法使散熱器穩定運行。同時，考慮到性價比、硬度等因素，可選擇銅或者鋁作為大功率LED燈散熱體主要材料。一般來說，若存在250W或以上的LED燈具，可在鋁材料應用的基礎上，添加適量的銅作為散熱材料。而在現有LED燈具中，常采用鋁作為散熱材料。此外，在電子設備材料發展過程中，大功率LED燈散熱體材料類型也逐漸增加。在保證大功率LED燈架構緊縮性能的前提下，可采用MAP系列高導熱系數軟性硅膠導熱絕緣墊作為大功率LED燈散熱體材料。以MAP-05為例，其作為大功率LED燈表層縫隙填充材料。MAP-05優越的質地，可在極低壓力下、高溫160.0°C環境中保持良好的傳熱性能。同時，軟性導熱硅膠絕緣墊片狀材質，還可以根據LED燈發熱功率器件大小、形狀進行隨意更換，是較為優良的導熱材料。

3.3大功率LED燈溫度試驗及數據分析

大功率LED燈溫度試驗主要是采用現代加工技術，針對最終優化燈具模型，選擇同樣的數據尺寸信息進行樣品制作。同時，選擇額定功率為1.5W的LED芯片，共計50顆陣列式排布在鋁基板上，開展穩態溫度試驗。溫度試驗主要采用優化后大功率LED燈具整機實驗方式，將試驗樣燈放置在48°C恒溫試驗箱內。并向試驗箱內連接220.0V電壓線，持續運行24h后，使用溫度測試儀測試樣燈表層溫度。通過實驗對比分析，可得出由于測試環境、設備、接線盒等因素的影響，優化后實際溫度試驗、有限元模型仿真試驗結果具有一定誤差，總體數據分布規律相差不大。據此，在后續大功率LED燈優化后結果分析過程中，可選擇有限元模型仿真的方法進行數據分析。

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，文中總結了優化散熱片、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]廖紹凱，梅甫良，林廣平，等.陣列式大功率LED燈散熱分析與優化[J].機電工程，2015，32（2）：290-294.

[3]李加，葛志晨，徐和辰，等.大功率LED燈具翅片式散熱器結構分析與優化[J].中國照明電器，2016（3）：122-123.