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LED二次散热技术简介

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发光二极管二次散热技术简介

饶连江 南京汉德森科技股份有限公司(南京210000)
摘要:发光二极管(LED)以其优良的节能、环保、长寿等性能逐渐渗透到普通照明领域,需求量急剧升高。LED 的发展速度相当惊人,但其功率的80%左右转化为热量,所以掌握LED 散热技术十分重要。文中主要讲述LED 二次散热的机理、工程设计方法和二次散热新技术等。
关键词:发光二极管(LED),热量,二次散热,对流,辐射

0 引言
大功率高亮度发光二极管(LED)是21 世纪最具发展前景的一种新型冷光源。LED 产业是近年来被认为最有潜力的产业之一,大家都期待LED 能够进入普通照明市场,成为新照明光源。随着哥本哈根会议和低碳经济议题的发起,LED 将大规模地进入了普通照明市场,其经济产值已超过百亿美元。
LED 的发光机理是靠PN 结中的电子在能带间跃迁产生光能,当它在外加电场作用下,电子与空穴的辐射复合发生电致作用将一部分能量转化为光能,而
无辐射复合产生的晶格震荡将其余的能量转化为热能。
LED 设计时,必须注重它的散热技术。
LED的散热技术主要包括一次散热技术和二次散热技术。一次散热技术指LED 的芯片封装散热,热流途径为LED 芯片传导到封装芯片的热沉之上。二次散热技术指LED 照明灯具的散热设计,热流途径为LED芯片的封装热沉到周围的空气。对于大多数LED 灯具设计师来说,LED 封装厂商提供完整的LED 封装芯片及其热性能参数,不需要进行一次散热设计,他们的主要任务是进行符合工业造型的二次散热设计。
目前,限制LED 照明灯具发展的瓶颈主要有两个:一个是成本。LED 光源相对于传统光源来说,价格还是偏高,但是,随着生产工艺的进步以及国内企业的广泛参与,LED 成本会逐步下降。另一个瓶颈是散热。由于LED 属于半导体发光器件,而半导体器件随着自身温度的变化,其特性会有明显的变化。对于LED,结温的升高会导致器件各方面性能的变化与衰减[1]。LED 的理论寿命能达到十万小时以上,实际使用中,LED 的结温一般都比较高,统计表明,70%的LED器件失效是由温度过高导致的,结温每升高10℃,LED 寿命将减少一半。LED 温度升高,对发光效率和光源颜色也会造成一定危害。例如外量子提取率下降、主波长红移、荧光粉效率降低等。

1 LED二次散热机理
热交换的三种基本方式为:热传导、对流和热辐射。通俗的说,热传导是将热量匀化或传导到指定位置;热对流是将热源表面的热量与介质(常为空气、水等) 发生热交换,结果使表面的温度降低;热辐射是将热源的热量通过波的形式(紫外线、可见光线、红外线等) 发散到周围的空间中。强制对流时,热传导和对流为主要的热交换途径,经过热传导的方式将热量传导到物体(散热器) 表面,再通过对流换热的方式将热量发散到周围介质中,热
辐射能力相对较弱,在强制对流中常可忽略。
LED 常采用自然对流的方式进行散热,原因在于如果采用风扇强制对流散热,风扇的寿命相对于LED来说较短,一旦风扇失效,整个LED 灯具也将失效。

自然换热对流的热交换途径与强制对流一样,由于对流换热系数不高(见表1),对流作用较弱,热辐射能
力相对有了提高,往往不能忽略。
表1 各种冷却技术的对流换热系数范围

铝的导热系数较高,加工性能好,表面处理技术成熟且成本低廉,现阶段主要通过铝制散热器进行散热。铝制散热器表面处理技术成熟,可通过阳极氧化来提高表面辐射率,增加辐射热交换。由于热交换的计算关联式很难给出比较精确的计算结果,并且使用时很容易出现错误,通常情况下我们建议使用一些经验数据。空气对流系数的经验公式,热设计 https://www.resheji.com

2 工程设计方法
LED 二次散热设计时需要考虑的问题主要有:散热器的有效散热面积、空气流态、表面辐射率、辐射角系数和温度等,同时,还需要考虑制造工艺、成本、使用特性等。
二次散热设计流程如图1 所示。LED 照明灯具作为一种商品,消费者购买时不仅关注其性能,更重要的是它的外观,因此在设计初期,进行工业造型设计是十分重要的。在进行精心设计之前,常常需要预估散热器的散热性能,不能够将精力投入到无法完成的设计任务之中。

目前常用的LED流体散热设计软件为ICEPAK和FloEFD。ICEPAK 是计算流体力学软件提供商Fluent公司专门为电子产品工程师定制开发的专业的电子热分析软件,最新版软件集成于ANSYS 公司的Workbench平台之中。FloEFD 为NIKA 公司的旗舰产品,主要用于汽车、航空航天、机械、船舶、电子通讯、医疗器械、能源化工、暖通、流体控制设备、LED 半导体行业等,2006 年,NIKA 为FLOMERICS 公司收购,现该公司已成为OSRAM 公司LED Light For You(LLFY) 项目散热模拟分析与热测试方面全球唯一合作伙伴。借助计算机仿真技术,用户可以减少设计成本、提高产品的一次成功率(get-right-first-time)和可靠性,改善产品的性能,并缩短产品的上市时间。
图2 和图3 分布为ICEPAK 和FloEFD 用于LED二次散热仿真分析的实例。大多数时候,设计者还会对散热器进行结构优化,包括优化安装工艺和外观造型、提高散热性能和模具寿命等。

3 LED二次散热新技术
LED照明灯具直接以散热器作为外观的主要部件(灯体)。传统的散热器材料为铝合金,导热系数较高,表面处理技术成熟,但它是电的优良导体,在LED 逐渐进入普通室内照明阶段,用户对灯具的安全性能要求日益提高,不希望直接接触到导电体。LED 照明厂商开始开发和利用绝缘材料来制作散热器。
陶瓷材料是人类利用已久的绝缘材料,氧化铝(Al2O3)陶瓷以其价格便宜、导热率高、辐射率大等特点逐步进入LED 散热器市场,可望成为未来LED
主流的二次散热材料。陶瓷密度约3.0~4.0 g/cm2,相对质量大,多用于小型室内照明灯具。图4 为一款LED陶瓷散热器,造型美观,灯座亦为陶瓷材料,整体散热性能较佳。
为适应LED 的散热需求,国内外开发出一系列高热导塑料,如图5 所示。热导率可达25W/mK,密度约1.3 g/cm2,表面辐射率约0.9,耐压可达2 kV/mm以上。目前注塑技术成熟,并可根据外观需求制成各种造型的灯具,该材料的应用前景十分广阔。某著名公司开发的高热导塑料LED 灯具如图5 所示。
由于材料的绝缘特性,可将LED 灯具的所有部件改换成该材料,大大提高散热面积,增强散热性能,势必成为将来LED 灯具发展的主流方向。

参考文献
[1] 张万路, 江磊等· LED 道路照明灯具散热系统分析[J] ·中国照明电器,2009,2
[2] 饶连江·基于ANSYS 的LED 灯具热分析[J] ·照明工程学报,2010,1

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