大功率LED典型熱沉結(jié)構(gòu)散熱性能分析

大功率LED照明屬固態(tài)照明，具有壽命長、安全環(huán)保、高效節(jié)能、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但尚有一些技術(shù)急需解決，主要為：光提取效率低、發(fā)熱量大、價(jià)格較高。目前l(fā)ed的發(fā)光效率僅能達(dá)到10％～20％，80％～90％的能量轉(zhuǎn)化成了熱量，使得大功率LED的熱流密度超過150W/cm2，而常規(guī)的銅/鋁散熱翅片一般僅能滿足50W/cm2散熱需求。如果熱量不能及時(shí)有效地散發(fā)出去，將會使LED芯片結(jié)溫升高，從而導(dǎo)致輸出光功率減小、芯片蛻化、波長“紅移”、器件壽命縮短等不良后果。因此，如何解決散熱問題成為LED推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

LED器件的散熱分為一次封裝散熱和二次熱沉散熱兩部分，一次封裝散熱主要是通過改善LED自身封裝材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行散熱，二次熱沉散熱主要是通過設(shè)計(jì)開發(fā)外部的熱沉結(jié)構(gòu)對LED進(jìn)行熱控制。因此，要真正實(shí)現(xiàn)大功率LED的有效散熱，需同時(shí)解決好一次散熱和二次散熱問題。常見的二次熱沉散熱結(jié)構(gòu)是將多顆大功率LED陣列在鋁熱沉上，如圖1所示。隨著應(yīng)用LED功率的增大，出現(xiàn)了熱管散熱、液體冷卻散熱、熱電制冷散熱等新型二次熱沉散熱結(jié)構(gòu)。魯祥友等提出了一種將大功率LED散熱和回路熱管傳熱相結(jié)合的用于大功率LED冷卻的熱管散熱器，并對其傳熱性能和整體的均溫性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。袁柳林設(shè)計(jì)了大功率LED陣列封裝的微通道制冷結(jié)構(gòu)，并用熱分析軟件模擬了其熱學(xué)性能及其參數(shù)的影響。唐政維等設(shè)計(jì)了一種采用半導(dǎo)體致冷技術(shù)散熱的集成大功率LED，不僅散熱效果良好，且還可以使LED器件在高溫、震蕩等惡劣環(huán)境中正常工作。PetroSki開發(fā)了一種新型熱沉來實(shí)現(xiàn)大功率LED的冷卻，該熱沉基于自然對流實(shí)現(xiàn)換熱，采用圓柱結(jié)構(gòu)，周圍布滿了縱向分布的翅片，該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)散熱效果各向同性。S.W.Chau等提出了一種采用電流體動力學(xué)方法（EHD）冷卻LED的裝置，由氣體放電得到離子風(fēng)進(jìn)行強(qiáng)迫對流散熱，其對流換熱系數(shù)是自然對流的7倍，使熱沉溫度保持在20～30℃，并研究了不同條件下的散熱效果。LiuChunkai等人將硅基熱電制冷器（te）與倒裝大功率LED集成，研究了大功率LED的性能，證實(shí)硅基熱電制冷器的熱阻可降低至零，并能有效提高出光效率，降低Pn結(jié)結(jié)溫，是一種有效的主動冷卻方式。

當(dāng)前眾多LED路燈示范工程中大部分采用全鋁熱沉作為二次熱沉散熱結(jié)構(gòu)。隨著微熱管技術(shù)的發(fā)展及LED器件功率的增大，微熱管技術(shù)已經(jīng)越來越多地應(yīng)用到LED器件的二次熱沉散熱結(jié)構(gòu)中。為了研究不同熱沉結(jié)構(gòu)的實(shí)際散熱效果，本文設(shè)計(jì)了具有三種不同熱沉結(jié)構(gòu)的大功率LED照明裝置，并對其散熱性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對比。

1、大功率LED照明裝置典型熱沉結(jié)構(gòu)性能分析

1.1典型熱沉散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2所示為具有全鋁熱沉型散熱結(jié)構(gòu)的大功率LED照明裝置（結(jié)構(gòu)Ⅰ）。LED燈主要通過MCPCB板、鋁基板、鋁熱沉肋基的熱傳導(dǎo)和鋁熱沉肋片的熱傳導(dǎo)及自然對流將熱量散發(fā)到空氣中。此結(jié)構(gòu)主要利用高熱導(dǎo)率金屬鋁合金作為熱傳導(dǎo)介質(zhì)，利用鋁肋片作為擴(kuò)展表面增強(qiáng)表面?zhèn)鳠崮芰Α?/p>

圖2：鋁熱沉型散熱器

圖3所示為具有微熱管散熱結(jié)構(gòu)的大功率LED照明裝置（結(jié)構(gòu)Ⅱ）。LED燈主要通過MCPCB板、鋁基板、微熱管的熱傳導(dǎo)及鋁肋片的熱傳導(dǎo)及自然對流將熱量散發(fā)到空氣中。結(jié)構(gòu)Ⅱ與結(jié)構(gòu)Ⅰ的差異在于利用了極高熱導(dǎo)率的微熱管作為熱傳導(dǎo)介質(zhì)，利用多個(gè)獨(dú)立的極薄鋁翅片以穿片的方式形成擴(kuò)展表面增強(qiáng)散熱能力，但肋片之間的間隙不能過小以至于阻礙空氣的流動，這會導(dǎo)致對流換熱系數(shù)減?。?］；且各薄鋁翅片進(jìn)行了表面鍍鎳處理，以增強(qiáng)抗腐蝕能力。微熱管是一種熱導(dǎo)率極高的導(dǎo)熱元件，具有響應(yīng)快、等溫性能好等優(yōu)點(diǎn)，熱阻可忽略不計(jì)。

圖3：微熱管散熱器

圖4所示為具有微熱管－風(fēng)扇散熱系統(tǒng)的大功率LED照明裝置（結(jié)構(gòu)Ⅲ）。此結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)Ⅱ相同，只是增加了溫控儀和風(fēng)扇系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)主動強(qiáng)迫對流散熱，當(dāng)器件溫度較低時(shí)，風(fēng)扇不運(yùn)轉(zhuǎn)，肋片進(jìn)行自然對流散熱。

圖4：微熱管－風(fēng)扇散熱器

1.2三種典型熱沉的等效熱阻模型

熱能傳遞的三種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對流與熱輻射。對于上述三種照明裝置，主要利用了熱傳導(dǎo)和熱對流這兩種熱傳遞方式。

熱傳遞的基本方程為：

式中，λ是比例系數(shù)，稱為熱導(dǎo)率，又稱導(dǎo)熱系數(shù)（thermaLConduCtivity）。

溫度分布為：

式中，α＝λ/ρC稱為熱擴(kuò)散率或熱擴(kuò)散系數(shù)（thermaLdiffuSivity）。

熱對流基本方程為：

式中，比例系數(shù)h稱為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，也稱對流換熱系數(shù)。

根據(jù)上述方程可以求出其熱流量Φ，利用熱擴(kuò)散和電荷擴(kuò)散之間存在的類比關(guān)系，可以定義導(dǎo)熱熱阻為：

則對流熱阻為：

上述三種照明裝置結(jié)構(gòu)類似，則其等效熱阻網(wǎng)絡(luò)如圖5所示，表達(dá)式為：

式中，rtotaL為總熱阻，rjS為從結(jié)點(diǎn)到內(nèi)部熱沉的熱阻，rSP為從內(nèi)部熱沉到MCPCB板的熱阻，rPb為從MCPCB板到鋁基板的熱阻，rbh為從鋁基板到熱沉的熱阻，rha為從熱沉到空氣的熱阻。

1.3、實(shí)驗(yàn)研究及性能分析

1.3.1、實(shí)驗(yàn)方法

對上述三種結(jié)構(gòu)的照明裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，采用k型熱電偶對鋁基板及翅片的關(guān)鍵特征點(diǎn)進(jìn)行接觸式測量。測量時(shí)環(huán)境溫度為31℃，風(fēng)速為0.8m/S。圖6所示為測量點(diǎn)的位置分布圖，結(jié)構(gòu)與圖3（a）結(jié)構(gòu)相同，用實(shí)線連接的點(diǎn)為熱電偶測量點(diǎn)，實(shí)線連線成斜n型分布，由對稱性畫出虛線連線，可看出其基本覆蓋特征點(diǎn)，是一種合理的測量分布。由于結(jié)構(gòu)Ⅲ的密封性，只取C、d、e、Ｇ四個(gè)點(diǎn)的位置進(jìn)行測量。

1.3.2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

測得各照明裝置的基板、翅片平均溫度如表1所示。三種結(jié)構(gòu)中由LED燈到鋁基板的結(jié)構(gòu)相同，即由LED芯片到鋁基板的熱阻是相等的，不等的是外部熱沉到空氣的熱阻。所以，由鋁基板的溫度即可比較各結(jié)構(gòu)中LED芯片Pn結(jié)的結(jié)溫。由表1可知，結(jié)構(gòu)Ⅲ的Pn結(jié)結(jié)溫是最低的，此照明裝置的散熱是最佳的。Pn結(jié)結(jié)溫由其外部熱沉的二次散熱決定，外部熱沉的熱阻由傳導(dǎo)介質(zhì)的熱導(dǎo)率、肋片的表面總效率、空氣的對流換熱系數(shù)決定，三者都是越大越好。三種結(jié)構(gòu)中，微熱管的導(dǎo)熱率是極高的，相互靠得很緊的薄肋片有效度是較大的，風(fēng)扇運(yùn)行后其對流換熱系數(shù)是較大的。

圖7、8、9所示分別為結(jié)構(gòu)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的鋁基板和翅片溫度分布圖，可以看出：（1）三種結(jié)構(gòu)各自的鋁基板和翅片溫度分布基本一致，且翅片溫度低于鋁

（b）翅片
圖8結(jié)構(gòu)Ⅱ溫度分布圖

（a）基板

（b）翅片
圖9：結(jié)構(gòu)Ⅲ溫度分布圖

基板溫度，符合熱傳導(dǎo)溫度分布規(guī)律；（2）結(jié)構(gòu)Ⅰ的溫度一直處于緩慢增長當(dāng)中，說明LED芯片產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)的散發(fā)到空氣中，導(dǎo)致溫度增加；（3）結(jié)構(gòu)Ⅱ、Ⅲ的溫度能很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而結(jié)構(gòu)Ⅰ則需較長時(shí)間，因?yàn)槲峁艿臒釘U(kuò)散系數(shù)大，其對熱環(huán)境的改變反應(yīng)快，容易到達(dá)新的平衡狀態(tài)；（4）結(jié)構(gòu)Ⅱ、Ⅲ的溫度增長曲線分布基本一致，溫度快速上升至拐點(diǎn)，后溫度基本穩(wěn)定在某一值，因結(jié)構(gòu)Ⅲ中的風(fēng)扇是當(dāng)腔內(nèi)的溫度上升至45℃時(shí)啟動，所以其溫度達(dá)拐點(diǎn)后溫度略有下降；（5）對比三種結(jié)構(gòu)的翅片溫度分布可知，結(jié)構(gòu)Ⅰ的翅片溫度分布最為均勻，而結(jié)構(gòu)Ⅱ翅片溫差最大，由于其采用相互靠得很緊的薄肋片，使得中部翅片間的流體流動受到阻礙，對流換熱系數(shù)稍有減小，溫度升高。

1.3.3結(jié)溫的計(jì)算及壽命預(yù)測

利用傳熱學(xué)熱阻基本公式：

式中，rj－ref為Pn結(jié)結(jié)點(diǎn)到某個(gè)參照點(diǎn)熱阻，Δtj－ref為結(jié)溫tj與參照點(diǎn)溫度tref溫差，Pd為耗散功率。

可將公式改寫為：

根據(jù)上述三種照明裝置的測試情況，可將鋁基板的溫度定為參照點(diǎn)的溫度tref，則求出Pn結(jié)點(diǎn)到鋁基板的熱阻rj－ref，即可求出結(jié)溫。根據(jù)上述熱阻模型公式，，即為LED封裝熱阻與MCPCB板熱阻之和。單顆1WLED的封裝熱阻為9℃/W，0.8mmMCPCB板的熱阻為7℃/W，單顆3WLED的封裝熱阻為14℃/W（注：不同公司或型號的LED熱阻有所不同）。由于結(jié)構(gòu)Ⅰ尚未達(dá)到穩(wěn)態(tài)，不能計(jì)算其結(jié)溫，結(jié)構(gòu)Ⅱ和Ⅲ中LED結(jié)溫如表2所示。

表2：各照明裝置結(jié)溫分布

結(jié)構(gòu)Ⅰ在測試過程中，當(dāng)其運(yùn)行至80min時(shí)出現(xiàn)不穩(wěn)定狀況，為防止發(fā)生意外，停止測試。由此可知，結(jié)構(gòu)Ⅰ的散熱效果是不可靠的。由表2可知，結(jié)構(gòu)Ⅱ的結(jié)溫較高，但仍在其允許的工作溫度范圍內(nèi)，主要由于其輸入功率較大，單顆3WLED的熱阻也較大，且翅片與空氣進(jìn)行自然對流散熱，換熱系數(shù)較小，因此需要對其進(jìn)行改進(jìn)。結(jié)構(gòu)Ⅲ能夠使照明裝置保持在較低溫度下運(yùn)行，是對結(jié)構(gòu)Ⅱ的一種改進(jìn)。根據(jù)ediSon公司給出的大功率白光LED的結(jié)溫在亮度70％時(shí)與壽命的關(guān)系可知，當(dāng)芯片結(jié)點(diǎn)溫度為110℃時(shí)，其壽命約為16000h；芯片結(jié)點(diǎn)溫度為57℃時(shí)，壽命約為70000h。結(jié)構(gòu)Ⅲ可以有效的實(shí)現(xiàn)大功率LED照明裝置的散熱，大大提高照明裝置的使用壽命。

1.3.4結(jié)溫的影響因素

為了更好地實(shí)現(xiàn)LED照明裝置的設(shè)計(jì)，使其結(jié)溫較低以獲得更長的使用壽命，采用正交方法模擬了LED結(jié)溫的影響因素。風(fēng)扇的可靠性低、壽命短，會對LED照明裝置的應(yīng)用產(chǎn)生不利的影響，因此研究如何在自然對流條件下實(shí)現(xiàn)其散熱是非常有用的。取結(jié)構(gòu)Ⅱ中的單個(gè)模組進(jìn)行有限元anSyS10.0模擬，采用三因素三水平正交試驗(yàn)表，三因素分別為：介質(zhì)傳導(dǎo)率、對流換熱系數(shù)和熱流密度。介質(zhì)傳導(dǎo)率是指結(jié)構(gòu)Ⅱ中微熱管部分的熱導(dǎo)率；對流換熱系數(shù)是指翅片與周圍空氣的對流系數(shù)；熱流密度是指MCPCB板上的熱流密度（即：單顆LED燈功率/MCPCB板面積）（注：實(shí)際上芯片熱流密度為LED燈功率/LED芯片面積，其到MCPCB板時(shí)熱流密度會發(fā)生改變且不等于LED燈功率/MCPCB板面積，由于目前沒有變熱流密度的相關(guān)理論，所以在此模擬試驗(yàn)中統(tǒng)一取加載在MCPCB板上的熱流密度為LED燈功率/MCPCB板面積，其得到的MCPCB板溫度小于實(shí)驗(yàn)值）。則其因素水平表如表3所示。得到的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。對其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到極差如表5所示。

表3：正交試驗(yàn)因素水平表

表4：正交試驗(yàn)結(jié)果

表5：數(shù)據(jù)處理結(jié)果

表5中，y為實(shí)驗(yàn)結(jié)果的均值：

kij為第j列因素第i水平的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之和，第j列因素第i水平的效應(yīng)ωij：

其中，S為第j列上，水平號i出現(xiàn)的次數(shù)，極差rj為：

由上表可知：對流換熱系數(shù)對結(jié)溫的影響非常小，可認(rèn)為其與誤差波動的影響一樣大，可忽略不計(jì)；熱流密度的影響最大，介質(zhì)熱導(dǎo)率其次，但兩者的極差相差不大。即：在自然對流的情況下（系數(shù)約為5～10），對流換熱系數(shù)的影響可忽略不計(jì)；而微熱管的熱導(dǎo)率可使結(jié)溫降低很多（ω2j為－33.328）；LED燈功率的增大會導(dǎo)致熱流密度的大大增長，從而導(dǎo)致結(jié)溫的大大升高（LED燈從3W到5W，ωij從2.017到28.136）。設(shè)計(jì)LED照明裝置時(shí)，若為自然對流方式，則不必考慮其放置環(huán)境的換熱系數(shù)，而盡量提高其導(dǎo)熱環(huán)節(jié)的熱導(dǎo)率，尋找新的高熱導(dǎo)率部件；對LED燈的功率進(jìn)行控制，結(jié)合整個(gè)裝置的散熱能力來確定LED燈的功率。

2、結(jié)論

目前，LED器件正不斷地朝著更大功率方向發(fā)展，功率型LED的驅(qū)動電流也不斷增大，這使得解決散熱問題已經(jīng)成為大功率LED實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的先決條件。針對LED器件的散熱環(huán)節(jié)，將其分為一次封裝散熱和二次熱沉散熱。一次封裝散熱主要取決于LED燈的封裝結(jié)構(gòu)和封裝材料，二次熱沉散熱主要取決于外部熱沉的結(jié)構(gòu)及散熱方式。降低封裝熱阻是解決LED散熱最根本的途徑，但是在新的封裝結(jié)構(gòu)和材料出現(xiàn)前，優(yōu)化LED器件的二次熱沉散熱是目前的關(guān)鍵。本文對三種大功率LED照明裝置的二次熱沉散熱進(jìn)行了散熱原理比較、實(shí)驗(yàn)性能分析，建立了熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，對其進(jìn)行了結(jié)溫計(jì)算和壽命預(yù)測，發(fā)現(xiàn)微熱管、薄肋片、風(fēng)扇可以很好的實(shí)現(xiàn)散熱，并利用正交試驗(yàn)法對LED照明裝置結(jié)溫的影響因素進(jìn)行了模擬分析，發(fā)現(xiàn)自然對流條件下，對流換熱系數(shù)的影響可忽略不計(jì)，而需盡量提高導(dǎo)熱環(huán)節(jié)的熱導(dǎo)率并結(jié)合其散熱能力進(jìn)行功率的控制。為微熱管散熱技術(shù)提供了技術(shù)參考，為大功率LED器件的二次熱沉散熱提供了有效的實(shí)現(xiàn)途徑，但實(shí)際應(yīng)用中需要對其整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。