大功率LED典型熱沉結構散熱性能分析

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、響應速度快等優(yōu)點，但尚有一些技術急需解決，主要為：光提取效率低、發(fā)熱量大、價格較高。目前l(fā)ed的發(fā)光效率僅能達到10％～20％，80％～90％的能量轉化成了熱量，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。如果熱量不能及時有效地散發(fā)出去，將會使LED芯片結溫升高，從而導致輸出光功率減小、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推廣應用的關鍵。

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自身封裝材料和結構進行散熱，二次熱沉散熱主要是通過設計開發(fā)外部的熱沉結構對LED進行熱控制。因此，要真正實現大功率LED的有效散熱，需同時解決好一次散熱和二次散熱問題。常見的二次熱沉散熱結構是將多顆大功率LED陣列在鋁熱沉上，如圖1所示。隨著應用LED功率的增大，出現了熱管散熱、液體冷卻散熱、熱電制冷散熱等新型二次熱沉散熱結構。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行了實驗研究。袁柳林設計了大功率LED陣列封裝的微通道制冷結構，并用熱分析軟件模擬了其熱學性能及其參數的影響。唐政維等設計了一種采用半導體致冷技術散熱的集成大功率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現大功率LED的冷卻，該熱沉基于自然對流實現換熱，采用圓柱結構，周圍布滿了縱向分布的翅片，該設計可實現散熱效果各向同性。S.W.Chau等提出了一種采用電流體動力學方法（EHD）冷卻LED的裝置，由氣體放電得到離子風進行強迫對流散熱，其對流換熱系數是自然對流的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結結溫，是一種有效的主動冷卻方式。

當前眾多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構。隨著微熱管技術的發(fā)展及LED器件功率的增大，微熱管技術已經越來越多地應用到LED器件的二次熱沉散熱結構中。為了研究不同熱沉結構的實際散熱效果，本文設計了具有三種不同熱沉結構的大功率LED照明裝置，并對其散熱性能進行了實驗對比。

1、大功率LED照明裝置典型熱沉結構性能分析

1.1典型熱沉散熱結構設計

圖2所示為具有全鋁熱沉型散熱結構的大功率LED照明裝置（結構Ⅰ）。LED燈主要通過MCPCB板、鋁基板、鋁熱沉肋基的熱傳導和鋁熱沉肋片的熱傳導及自然對流將熱量散發(fā)到空氣中。此結構主要利用高熱導率金屬鋁合金作為熱傳導介質，利用鋁肋片作為擴展表面增強表面?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構的大功率LED照明裝置（結構Ⅱ）。LED燈主要通過MCPCB板、鋁基板、微熱管的熱傳導及鋁肋片的熱傳導及自然對流將熱量散發(fā)到空氣中。結構Ⅱ與結構Ⅰ的差異在于利用了極高熱導率的微熱管作為熱傳導介質，利用多個獨立的極薄鋁翅片以穿片的方式形成擴展表面增強散熱能力，但肋片之間的間隙不能過小以至于阻礙空氣的流動，這會導致對流換熱系數減?。?］；且各薄鋁翅片進行了表面鍍鎳處理，以增強抗腐蝕能力。微熱管是一種熱導率極高的導熱元件，具有響應快、等溫性能好等優(yōu)點，熱阻可忽略不計。

圖3：微熱管散熱器

圖4所示為具有微熱管－風扇散熱系統(tǒng)的大功率LED照明裝置（結構Ⅲ）。此結構與結構Ⅱ相同，只是增加了溫控儀和風扇系統(tǒng)，以實現主動強迫對流散熱，當器件溫度較低時，風扇不運轉，肋片進行自然對流散熱。

圖4：微熱管－風扇散熱器

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、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，稱為熱導率，又稱導熱系數（thermaLConduCtivity）。

溫度分布為：

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

熱對流基本方程為：

式中，比例系數h稱為表面?zhèn)鳠嵯禂?，也稱對流換熱系數。

根據上述方程可以求出其熱流量Φ，利用熱擴散和電荷擴散之間存在的類比關系，可以定義導熱熱阻為：

則對流熱阻為：

上述三種照明裝置結構類似，則其等效熱阻網絡如圖5所示，表達式為：

式中，rtotaL為總熱阻，rjS為從結點到內部熱沉的熱阻，rSP為從內部熱沉到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、實驗研究及性能分析

1.3.1、實驗方法

對上述三種結構的照明裝置進行了實驗研究，采用k型熱電偶對鋁基板及翅片的關鍵特征點進行接觸式測量。測量時環(huán)境溫度為31℃，風速為0.8m/S。圖6所示為測量點的位置分布圖，結構與圖3（a）結構相同，用實線連接的點為熱電偶測量點，實線連線成斜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，是一種合理的測量分布。由于結構Ⅲ的密封性，只取C、d、e、Ｇ四個點的位置進行測量。

1.3.2、實驗結果及分析

測得各照明裝置的基板、翅片平均溫度如表1所示。三種結構中由LED燈到鋁基板的結構相同，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構中LED芯片Pn結的結溫。由表1可知，結構Ⅲ的Pn結結溫是最低的，此照明裝置的散熱是最佳的。Pn結結溫由其外部熱沉的二次散熱決定，外部熱沉的熱阻由傳導介質的熱導率、肋片的表面總效率、空氣的對流換熱系數決定，三者都是越大越好。三種結構中，微熱管的導熱率是極高的，相互靠得很緊的薄肋片有效度是較大的，風扇運行后其對流換熱系數是較大的。

圖7、8、9所示分別為結構Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的鋁基板和翅片溫度分布圖，可以看出：（1）三種結構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結構Ⅱ溫度分布圖

（a）基板

（b）翅片
圖9：結構Ⅲ溫度分布圖

基板溫度，符合熱傳導溫度分布規(guī)律；（2）結構Ⅰ的溫度一直處于緩慢增長當中，說明LED芯片產生的熱量不能及時的散發(fā)到空氣中，導致溫度增加；（3）結構Ⅱ、Ⅲ的溫度能很快達到穩(wěn)定狀態(tài)，而結構Ⅰ則需較長時間，因為微熱管的熱擴散系數大，其對熱環(huán)境的改變反應快，容易到達新的平衡狀態(tài)；（4）結構Ⅱ、Ⅲ的溫度增長曲線分布基本一致，溫度快速上升至拐點，后溫度基本穩(wěn)定在某一值，因結構Ⅲ中的風扇是當腔內的溫度上升至45℃時啟動，所以其溫度達拐點后溫度略有下降；（5）對比三種結構的翅片溫度分布可知，結構Ⅰ的翅片溫度分布最為均勻，而結構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，對流換熱系數稍有減小，溫度升高。

1.3.3結溫的計算及壽命預測

利用傳熱學熱阻基本公式：

式中，rj－ref為Pn結結點到某個參照點熱阻，Δtj－ref為結溫tj與參照點溫度tref溫差，Pd為耗散功率。

可將公式改寫為：

根據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的溫度tref，則求出Pn結點到鋁基板的熱阻rj－ref，即可求出結溫。根據上述熱阻模型公式，，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）。由于結構Ⅰ尚未達到穩(wěn)態(tài)，不能計算其結溫，結構Ⅱ和Ⅲ中LED結溫如表2所示。

表2：各照明裝置結溫分布

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

1.3.4結溫的影響因素

為了更好地實現LED照明裝置的設計，使其結溫較低以獲得更長的使用壽命，采用正交方法模擬了LED結溫的影響因素。風扇的可靠性低、壽命短，會對LED照明裝置的應用產生不利的影響，因此研究如何在自然對流條件下實現其散熱是非常有用的。取結構Ⅱ中的單個模組進行有限元anSyS10.0模擬，采用三因素三水平正交試驗表，三因素分別為：介質傳導率、對流換熱系數和熱流密度。介質傳導率是指結構Ⅱ中微熱管部分的熱導率；對流換熱系數是指翅片與周圍空氣的對流系數；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：實際上芯片熱流密度為LED燈功率/LED芯片面積，其到MCPCB板時熱流密度會發(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理論，所以在此模擬試驗中統(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板溫度小于實驗值）。則其因素水平表如表3所示。得到的模擬實驗結果如表4所示。對其進行數據處理，得到極差如表5所示。

表3：正交試驗因素水平表

表4：正交試驗結果

表5：數據處理結果

表5中，y為實驗結果的均值：

kij為第j列因素第i水平的實驗結果之和，第j列因素第i水平的效應ωij：

其中，S為第j列上，水平號i出現的次數，極差rj為：

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

2、結論

目前，LED器件正不斷地朝著更大功率方向發(fā)展，功率型LED的驅動電流也不斷增大，這使得解決散熱問題已經成為大功率LED實現產業(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燈的封裝結構和封裝材料，二次熱沉散熱主要取決于外部熱沉的結構及散熱方式。降低封裝熱阻是解決LED散熱最根本的途徑，但是在新的封裝結構和材料出現前，優(yōu)化LED器件的二次熱沉散熱是目前的關鍵。本文對三種大功率LED照明裝置的二次熱沉散熱進行了散熱原理比較、實驗性能分析，建立了熱阻網絡模型，對其進行了結溫計算和壽命預測，發(fā)現微熱管、薄肋片、風扇可以很好的實現散熱，并利用正交試驗法對LED照明裝置結溫的影響因素進行了模擬分析，發(fā)現自然對流條件下，對流換熱系數的影響可忽略不計，而需盡量提高導熱環(huán)節(jié)的熱導率并結合其散熱能力進行功率的控制。為微熱管散熱技術提供了技術參考，為大功率LED器件的二次熱沉散熱提供了有效的實現途徑，但實際應用中需要對其整體結構進行優(yōu)化設計。