浅谈LED照明灯散热设计

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摘要： 本文介绍了影响led照明灯散热设计的相关因素，分析了散热设计容易忽略掉一些细节，从材质的选择和设计两个方面综合分析，并且提出改善LED照明灯散热设计的方案，以便生产企业对产品整体质量提高。

Abstract： This paper introduces the relevant factors affecting the heat dissipation design of LED lighting， analyzes the details that are easy to be ignored in the heat dissipation design. From aspects of choice of materials and design， the method to improve the heat dissipation design of LED lighting is proposed in order to improve the overall quality of products.

关键词： LED照明灯的散热；结温；导热系数

Key words： heat dissipation of LED lighting；junction temperature；thermal conductivity

中图分类号：U463.65+1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）34-0146-03

1 概述

随着国家现代化程度的不断提高，LED照明灯具已走入千家万户，同所有电子产品一样，LED照明灯在工作过程中都会产生大量热能，导致主要工作机构产生温升，而温升提高的同时又降低了产品的使用效果和产品的使用寿命，如目前市场上高功率的LED照明灯工作机制中的电功率其中只有20%～30%转换为光能，而约70%的电功率都将转化热能，所以散热性能是LED照明灯设计的重要部分。

本文通过对LED散热设计分析研究并提出了用新的散热材料来解决散热问题的新方法，为LED照明产品生产企业提供了技术参考。

要想降低LED灯具的发热，首先要控制LED灯具的结温。结温的产生主要是由于内部产生的光子无法全部射出到芯片外部而最后转化为热量。

1.1 结温与寿命的关系

通过国外研究资料（图1所示）我们发现LED的使用寿命与工作温度的关系，当工作温度每降低10度，LED的发光效率会提高3%到8%，同时寿命也会延长2倍。

1.2 结温与发光效率

依据资料显示LED灯具的发光效率与结温是线性关系（如图2所示），假设结温为25℃时的发光率为1.0，当结温为60℃时，发光率就下降到0.9；结温为100℃就更只有0.8左右。而且同时温升发热还会使得其光谱移动，波长的大致变化规律为每升高10度，波长移1nm，主波长的变化将会引起混色效果的变化，致使转换效率下降。故温升不但影响长时间寿命，也还直接影响短时间的发光效率。

2 散热设计思路

2.1 芯片芯板传热

早期的LED灯具由于采用LED灯珠，应用范围不广，单芯片的灯珠由于功率不高，发热量有限，所以对散热的要求不高。而今当0.5W以上高功率LED成为灯具光源的主流时，高功率带又来了高发热量。为了尽可能提高芯片的散热性能，研究人员不断在LED的芯片结构和材质上进行了很多改进。从最早用硅材料做为衬底到用蓝宝石材料最后到用碳化硅做衬底，其导热性能提高了近20倍，但是碳化硅的缺点是使用成本高。目前，很多生产企业考虑到成本核算，又开始采用硅材料作为基底，只不过在中间加一层氮化铝作缓冲。随着科技不断发展，现在主流的LED芯片基板主要以陶瓷基板和金属基板为主。陶瓷基板因高散热性，低膨胀系数等特性，能够减少因高热而产生的材料变型，同时材料的本身还具有耐热、耐潮、绝缘等优点，所以陶瓷基板成为高功率照明灯用LED芯片基板的最常用散热材料。陶瓷基板材质目前分为3大类：三氧化二铝、低温共烧陶瓷、氮化铝，低温共烧陶瓷多适用于以大尺寸高功率和小尺寸低功率产品为主LED产品，基本上外观大多呈现凹杯状，且可根据用户的需求制作出有导线架和没有导线架两种散热基板。而三氧化二铝则侧重用于1W～3W的LED灯具，这三类中以氮化铝的导热性最佳，适用于大功率半导体基片，在散热过程中自然冷却即可达到目的，同时还具有很好的机械强度、优良的电气性能。金属基板特别是金属铝基板具有很好的热传导系数，易加工、价格低廉，再加上量产良率的提升，目前日渐成为高功率LED散热基板采用材质的主流，但设计时要尽量将PCB靠近铝底座，从而减少灌封胶部分产生的热阻。所以必须充分了解LED模块各种材料之间热膨胀系数差异，降低造成的热应力，从而提高使用金属基板的可靠性。

在封装结构方面，常用的封装方式有引脚式封装、表面贴装封装、功率型封装（如图3所示）。引脚式封装方式是最普通的一种封装方式，有90%的热量是由负极引脚散发到电路板上，其散热的效果受限于导线的材质和几何型状，故散热能效备受限制。表面贴装封装方式，就是把芯片直接焊接在基板上，因此具有良好的连接性和散热性，热阻很小。 虽然这种方式很好，但有它的局限性，就是芯片底部一定要有焊盘。功率型封装方式，这种封装方式适用于常规管芯高密度组合封装，其取光效率高并且热阻低，较好地保护管芯与键合引线。

对于大多数LED灯具生产企业一般采用外购芯片，故需要设计人员要充分考虑和了解采购的芯片发热性能，分析成本及能效，以达到所需的最佳效果。

2.2 系统电路散热

LED芯片通过焊接与系统电路板产生了链接，但是由芯片所产生的热能也同时传导给系统电路板，系统电路板的散热性能就显得更为重要，目前大都采用铝基板做为系统电路板。铝基板自上而下一般由电路层（铜箔层）、导热绝缘层和金属基层组成，电路层要求具有很大的载流能力，从而应使用较厚的铜箔。导热绝缘层是铝基板工艺中最关键的环节，它一般是由特种陶瓷粉末填充而合的聚合物构成（主要是环氧树脂），具有优良的热传导性、良好的绝缘强度和粘结性能，能够承受机械及热应力。若绝缘层使用的材质膨胀系数较高，那么在温度升高时由于膨胀将会产生变形、龟裂和缝隙，当空气从缝隙中进入铝基板，由于空气是热的不良导体，所以将会增加热阻抗，产生更多的热量，从而严重影响散热效率，使散热性能大打折扣。目前一些生产企业会在导热绝缘层和金属基版之间加喷一层散热漆，以此来提高绝缘层的绝缘性降低热阻抗、达到热传导的目的。金属基层的金属基板一般有铜板、铁板、钼板和铝板，使用最多的是铝板，因为其散热性好，且密度小、重量轻、防氧化，并且价格便宜，市场上铝板是用途最广、用量最大的一种金属板材。

由于芯片和系统电路板都只是进行传热，而能够将这些热能最终传到出灯具外的，就要靠散热系统，目前主流散热系统可分为四种型式：风扇强制散热、磁力喷流散热，自然对流散热和回路热管散热。由于使用环境、产品综合发热量大小、生产的成本等各方面问题，选择适当的散热方式，尤为重要。下面将进行分别介绍：

风扇强制散热：是指利用风扇运动产生空气间对流，将LED灯具中所产生的热量带出本体，从而有效的将热量强制排出。由于受到灯具体积的限制，风扇强制散热方式一般很少被灯具生产企业所采用。目前只有少数生产坚立式路灯企业使用此种技术。

电磁喷流散热：其结构为一具有薄膜之中空腔体，其利用电磁或压电驱动器以每秒100～200次的频率振荡薄膜，促使薄膜进行上下振荡，随着薄膜的上下位移，空气会流入中空腔体再行喷出，喷出后的气流会带动周边空气产生涡流现象，强化空气对流能力。

自然对流散热：散热过程是利用空气的流动（对流）将热量带走，传递到空气中，达到散热作用。LED的灯具散热器表面积越大，它与空气接触的面积就越大，通过对流作用空气吸走散发的热量，从而达到散热的效果。LED灯具最常见的是按装散热鳍片，鳍片的散热面积越大，对流效果越好，但鳍片数量也不宜过多，不然会增加LED灯具的整体重量和成本，也加大立杆型灯具安全悬挂的风险。

回路热管散热：是依靠封闭回路管内的工作液体在蒸发器与冷凝器之间不断的热交换从而达到传递热量。回路热管的两端一边连着发热源一边连着散热器，回路管的内部则充入适当的液体，管壁有吸液芯是由毛细多孔材料构成。当灯具开始工作其电路板产生热量时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，再利用毛细力将冷凝液体带回蒸发器，如此往复循环，达成热量的传递。LED芯片所产生的热量可快速传递出灯具的散热器或外壳，但回路热管散热仅解决热传导问题，无法有真正达到“散热”功能。

由于各种散热的效率和成本不同，LED照明灯生产企业可以通过设计将以上散热方式通过合理结合，通过合理阶段合理方式进行散热，达到提高散热能力，降低生产成本。

3 改善散热设计的方案

如何改善LED照明灯具的散热设计是很多生产厂家一直在探讨的问题，本人认为可以从以下几方面改进：

①提高散热片的散热效果，改进散热片与发热物体接触部分的吸热底和散热片的设计，要具备吸热快、热阻小、去热快的性能；

②散热材料应选择热传导系数高的导热材料，如铝合金材料的选取，通过调整配方材料的成分与比例，可以获得各种不同的特性；

③对封装工艺进行优化，使用集成化封装方式，不但能降低成本还能提高散热效果；

④改进对散热鳍片的工艺设计，要注意温度分布的均匀性，不然无法发挥充分的散热性。

4 结论

由于市场上LED照明灯的生产企业的设计生产的能力参差不齐，许多能力素质较低的企业容易在散热设计忽略掉重要细节，导致产品的性能和寿命无法达到应有的要求。

作为生产高科技节能照明产品的企业，应该清楚认识到优良的LED照明灯散热必须掌握复杂的热传学基础硬理论，通过严谨科学的产品设计和规范高效的生产制造，才能生产出有老百姓喜欢的LED照明路灯，这样才能提高企业自身乃至整个LED行业的生存发展能力。

5 结束语

LED照明产品的应用领域越来越广泛，产品换代更新日新月异，在争取市场的同时审慎评估自身产品的质量水平、研发方向，做好LED照明灯的散热设计一定经得起时间和环境考验，值得我们深入研究，从而提高LED照明灯整体质量。

参考文献：

[1]王厚华.传热学[M].重庆大学出版社，2006.

[2]王本龙.大功率LED封装散热方式[J].中国照明，2008，11.

[3]张万路.功率型LED热学建模与结温测试分析[D].复旦大学，2009.