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LED 照明产品的散热问题及改善策略研究

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摘要:LED 照明产品作为电子产品,其性能受环境温度、通风等因素的影响,分析温度、通风等对 LED 照明产品散热能力的影响有重大意义。在 LED 技术高速发展的今天,提升 LED 照明产品的散热能力是迫切需要解决的问题。对此,文章深入研究了高温对 LED 照明产品性能的影响,并在此基础上分析了 LED 照明产品存在的散热问题以及 LED 照明产品散热性能的影响因素,最后提出了可以提升 LED 照明产品散热能力的办法,包括合理选用散热片、散热器、封装工艺、键合材料等。


关键词:LED 照明;照明产品;散热性能

引言

随着 LED 技术的不断发展,LED 照明产品受到了越来越多的关注。与传统照明光源相比,LED 照明光源是固体冷光灯,具备使用寿命长、光效度高、无辐射、耗电量较少、抗冲击和耐震特性好、安全性较高等优点。在全世界普遍倡导绿色照明的今天,LED 作为新兴绿色照明光源得到了广泛青睐。但是,LED 照明产品在使用过程中容易出现温度过高的情况,尤其是一些大功率 LED 照明产品的发热问题严重。LED 属于高温敏感元件,如果其发热量很大、温度过高,会直接影响LED 的光照效果、光色温度等,甚至会对 LED 照明产品的正常使用产生严重影响。对此,研究人员必须加强对 LED 照明产品散热问题的研究。


高温对 LED 照明产品性能的影响

散热能力是 LED 照明产品必须具备的重要性能,在实际生活中,LED 照明产品往往用于不同的环境,这也对 LED 照明产品的使用效率产生了非常大的影响。为了加强 LED 照明产品的散热能力,需要研究高温对 LED 照明产品性能的影响。


1.1 高温使 LED 产生永久损害

从 LED 的工作特性考虑,如果工作温度高于 LED的所能承载的最高温度,将会使 LED 的发光效能迅速下降,并形成强烈的光衰,从而导致 LED 的损坏。LED 多以透明的聚砜 / 环氧树脂封装,如果热解温度高于固相含量的转变温度(一般为 15 ℃),密封材质会向胶态转化,并且热膨胀系数会骤升,进而造成LED 的开路与损坏。


1.2 高温会缩短 LED 的寿命

各个品牌的 LED 的光衰特性不同,LED 生产商一般会提供标准的光衰曲线[3],作为选择 LED 产品时的依据。LED 的寿命与它的光衰密切相关,使用时间越久,LED 的光照度会越低,直至最后熄灭。一般,将 LED的光通量衰减 30% 的时间定义为 LED 的寿命。高温会造成 LED 光衰,缩短 LED 的寿命。


(1)LED 芯片内存在的缺陷在较高的环境温度下会迅速扩大,直至侵入发光区域,从而产生大量的非辐射复合中心,极大地影响 LED 的发光效率。在高热环境下,材质内的微缺陷和来自界面与电板之间的快扩杂质也会引入发光区域,形成大量的深能级,从而加速 LED 器件的光衰。
(2)在高热时透明导电环氧树脂材料会变性、发黄,从而严重破坏其透光性能,温度越高,这个过程进行得越快,这也是高温加速 LED 光衰的又一主要原因。
(3)荧光粉的光衰也是影响 LED 光衰的一个主要因素,荧光粉在高温下的衰减非常强烈。

1.3 高温会影响 LED 的发光效果

LED 构成材料的某些参数会随着环境温度而变化,进而引起 LED 器件参数的改变,直接影响 LED 的光输出。通常情况下,光通量随着温度的增加而减小的过程是可逆的。在环境温度返回初始温度时,光通量会有一次恢复性的增加。这是因为当温度回升至初态时,LED 元件的内部参数不再变化,LED 的光输出可以恢复至初态值。LED 的光通量有冷流明和热流明之分,分别表示在室温和某一环境温度下时 LED 的光输出。


高温影响 LED 发光效果的具体原因如下。

(1)随着环境温度的增加,LED 照明产品中电子和空穴的浓度会增加,但由于禁带宽度的减少,电子迁移率将下降。
(2)随着环境温度的增加,势阱中的电子和空穴中的辐射发生复合的概率会大幅度降低,形成非辐射复合,从而降低 LED 的内量子效率。
(3)环境温度上升会使 LED 的蓝光波峰向长波方向移位,导致 LED 的发射波长与荧光粉的激发波长不匹配,从而导致 LED 对外部光的提取效率降低。
(4)随着环境温度的提高,荧光粉量子效率下降,出光减少。
(5)硅胶的性能受温度影响很大,随着工作温度的增加,硅胶内部的热应力增大,硅胶的折射率降低,进而直接影响 LED 的光效。

LED 照明产品存在的散热问题

LED 照明产品普遍存在散热问题。与之相比,虽然白炽灯和荧光灯的电能损失都很大,但这些灯具都可以通过紫外线直接照射,光源的发热很少。在 LED照明产品消耗的能源中,除了转化为可视光源的部分,其他能源都转换成了热量。


此外,LED 封装的体积较小,难以通过对流和辐照散热,因此积累了大量的热量。


2.1 热膨胀导致零部件弯曲和龟裂

LED 照明产品由许多零部件组成,各种零部件的材料不同,热胀冷缩的幅度也不相同。在热膨胀时,零部件材料会发生弯曲和龟裂,从而导致产品散热不良,严重降低 LED 产品的使用效率。


2.2 电子电路的运行障碍

如果导体元器件的工作温度升高,电源的阻抗会减小,很容易进入“温度上升—阻抗降低—电压升高—热增强—温度上升”的恶性循环,甚至出现烧断的现象。


2.3 高温导致材料品质降低

一般来说,LED 照明产品所用的金属材质都易于氧化,且温度越高氧化速度越快。高温氧化会缩短LED 照明产品的寿命。


LED 照明产品散热性能的影响因素

3.1 风向对 LED 照明产品散热性能的影响

针对风向对 LED 照明产品散热的影响,研究人员进行了实验。一般来说,在实景模拟环境中,风向有水平向右、竖直向上和竖直向下三种,而风速最大不会超过 1.50 m/s。在实验过程中,需要保证不同组使用的 LED 照明产品完全一致,除了风向不同,其他的所有变量必须保持不变。在实验时,要注意测量 LED 照明产品的温度,计算不同风向下 LED 照明产品的散热速度。通过实验发现,在 LED 照明产品的散热过程中,受竖直方向风的影响较大。这主要是因为竖直向下的风向与自然的空气对流方向相反,使 LED 照明产品的最高温度发生变化。


3.2 风速对 LED 照明产品散热性能的影响

为了了解风速对 LED 照明产品散热性能的影响,研究人员也进行了实验。在实验中,需要保证外部环境一致,然后逐渐增大风速。在风向竖直向下并且风速较小时,LED 照明产品的最高温度较高;随着风速的增长,LED 照明产品的温度会逐渐下降。


LED 照明产品的散热优化对策

设计 LED 照明产品的散热架构时,结构层数越少、层的厚度越薄、层的体积越大、材质的导热系数越大,散热性越好。此外,灯具的外形需要选择长方块或环形。LED 照明产品的散热设计必须遵循以被动式散热片为主、主动式散热片为辅的设计原则,并尽量减少或不用主动散热方式。


4.1 合理选用散热片

在封装 LED 时,不会直接连接散热片或设置电风扇,而且 LED 的电源电路板会产生大量热能,这使LED 照明产品的冷却散热成为十分棘手的问题。对此,需要合理选用散热片。散热片能够扩大 LED 照明产品表面和室内空气的相互接触面,从而提高 LED 照明产品的冷却散热效能。


4.1.1 鳍片的选择

通常,将散热片的外部表面加工做成鳍片。鳍片的种类很多,鳍片的数量、位置、规格、倾斜角度和厚薄等都必须根据需求认真选择。除了普通的直线形状,鳍片还有波浪形、螺旋状、长椭圆形和锥台状等形态,各种形态的制造目的都是方便室内空气对流、雨水冲洗等,以获得最佳的散热功效。


生产企业主要采用烧结和沟槽两种生产方法生产散热片,相同规格的烧结热管与沟槽热管的性能相同。其中,在烧结热管时,会使用大量铜粉作填为充物,导致热管的毛细管径很小、浸透功率较小,烧结热管的宽度增加时,热管的导热功效会减弱。因此,需要选用恰当的鳍片和热管配合使用。例如,作为非常典型的 LED 照明装置,在 LED 路灯的使用过程中会采用热管加鳍片、均温板发热管加鳍片等散热方式,以提高路灯的散热效率。


4.1.2 材质的选择

在散热片的材质中,铜的导热性能比铝好,但是铜的散热速度慢于铝,因此,可以结合铜、铝的优势,使用全新的铜铝复合散热片。在铜铝复合散热片中,铜能够迅速地将 LED 产生的高热量带给铝,然后由铝合金鳍片将高热量散发出去,从而提高散热效率。


4.1.3 散热片管的选择

散热片管是散热片的重要部件,其受热端刚开始受热时,管壁附近的水会瞬间汽化,形成大量水蒸气,使这部分的压强增加。水蒸气会在水压的带动下向冷却端活动,当蒸气流到达冷却末端后凝结为液态,同时释放大量热能,再通过毛细力到达蒸腾受热端,完成一个循环。


对于一些耗能大、对散热片要求较高的 LED 照明产品,可以选择金属热管作为散热片管。LED 照明产品在工作时会产生大量的热量,热量在 LED 照明产品内部传输时,会通过热沉部位直接传给金属热管。因为金属热管进行了加温,所以在热量传输的过程中不会损失热量。在热管冷凝段内部可以产生热能,这些热能可以输送到热管内部,并通过热传导效应,逐步传递到金属材料分散片。通过分散片和周边冷却空气的自然热力传播过程,热能可以从金属材料分散片上被分散出去。


4.2 合理设计散热器

在实际的散热器设计中,一般采用外置式散热器与灯壳相结合、内置式散热器与温控风扇相结合的设计方式。LED 器件产生的热量可以经密封的引线向集成电路板移动,而后经由散热片散发出去;电源电路板产生的热能可以经集成电路板周边的空气和充填物料,直接透过散热片向外界分散。为了消除传热途径中影响传热效率的因素,可以在传热途径中采用导热性能更好的材质、增加路径的断面体积,或者涂上导热润滑剂,使产品的衔接部位不留缝隙。如果冷却散热片不能向外散热,在 LED 器件内部会积聚大量热量。对此,需要采取措施优化冷却散热片的表层结构,典型的办法就是在表层多设置一些散热片,增加散热器的散热面积。


4.3 依据实际情况选择封装工艺

LED 产生的内部热量可以通过黏结层传输给金属电路板,再从电路板经过黏结层传输给散热片,辐射到周围环境。密封工艺、键合材料、基板材质都是LED 散热设计的重点。LED 产生的热能需要经由连接层传递至 Si 衬底,再经过 Si 衬底和黏结材质传递至金属支架底座上,该架构需要拥有良好的电工性质和热学特性。


4.4 选择合适的键合材料

要想提高 LED 照明产品的散热能力,就必须选择合适的键合材料,做好 LED 照明产品的基础设计。一般来说,LED 照明产品会使用粘连材料,粘连材料会受外界温度及湿度的影响。随着科学技术的不断发展,人们也对粘连材料进行了改进。在设计 LED 照明产品时,可以根据照明产品的实际情况,选择合适的键合材料,提高键合材料的导热性和导电性,简化其内部结构,提高 LED 照明产品的散热能力。


结束语

随着科学技术的发展,要想解决 LED 照明产品的散热问题,就要根据实际情况,选择合适的金属热管等建设材料。使用者在使用 LED 照明产品时,不仅要注重产品的散热性能,还要注意环境因素对 LED 照明产品散热的影响。

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