新型LED燈散熱性研究
王琛，申勛業(yè)，徐慧君(1東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院150030)
摘要：LEO具有高效、節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，被視作必將成為繼白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈之后的第四代光源．但目前LED芯片80％-90％的電能轉(zhuǎn)化成熱量，而僅靠芯片封裝器件外殼散熱難以維持低溫工況，嚴(yán)重制約了大功率LED燈的應(yīng)用．我們主要是研究在自然空氣冷卻狀態(tài)下，影響大功率LED燈散熱性能的因素及各因素影響的程度，及大功率LED燈散熱設(shè)計(jì)．
關(guān)鍵詞：LED 散熱性能 結(jié)溫 翹片 輻射率
LED結(jié)構(gòu)及特性
LED(Light Emitting Diode)，發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的品片，晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的止極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹(shù)脂封裝起來(lái)。半導(dǎo)體品片由兩部分組成，一部分是P犁半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來(lái)的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè)“P_N結(jié)”。當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長(zhǎng)決定光的顏色，是由形成P—N結(jié)材料決定的。
LED具有功耗低、體積小、可靠性高、壽命長(zhǎng)和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，己被應(yīng)用于儀器儀表、計(jì)算機(jī)、汽車、電子玩具、通訊、自動(dòng)控制、軍事等領(lǐng)域。由于發(fā)光效率和發(fā)光強(qiáng)度的極大提高，達(dá)到燭光級(jí)的亮度，大功率LED已經(jīng)逐步被應(yīng)用于公路、鐵路和機(jī)場(chǎng)的交通信號(hào)燈系統(tǒng)，汽車的尾燈、剎車燈和方向燈、戶外大屏幕信息顯示和全彩色電視顯示系統(tǒng)等。
2大功率LED發(fā)展
大功率LED是指擁有大額定工作電流的發(fā)光二極管。普通LED功率一般為0．05W、工作電流為20mA，而大功率LED可以達(dá)到1w、2W、甚至數(shù)十瓦，工作電流可以是幾十毫安到幾百毫安不等m1。由于目前火功率LED在光通量、轉(zhuǎn)換效率和成本等方面的制約，岡此決定了大功率白光LED短期內(nèi)的應(yīng)用主要是一些特殊領(lǐng)域的照明，中長(zhǎng)期目標(biāo)才是通用照明。何謂大功率LED，業(yè)界也沒(méi)有公認(rèn)的說(shuō)法，目前普遍默認(rèn)的劃分標(biāo)準(zhǔn)為，超過(guò)1w即屬于大功率LED或稱作瓦級(jí)LED。
我國(guó)雖有多家企業(yè)開(kāi)發(fā)生產(chǎn)LED城市照明路燈，但很多是用小功率LED陣列作發(fā)光體，散熱問(wèn)題解決了，所用LED數(shù)=暈=要很多，小功率LED光衰強(qiáng)，安裝成本高．城市照明LED路燈采用大功率LED是發(fā)展的趨勢(shì)，少數(shù)用大功率LED作發(fā)光體的路燈產(chǎn)品由于沒(méi)有很好地解決功率達(dá)到～定量時(shí)，LED的散熱問(wèn)題：LED的散光和聚光控制問(wèn)題：路燈在路面照射面的照度范圍、型態(tài)和照度的均衡問(wèn)題：光電轉(zhuǎn)換效率太低，每瓦只有幾個(gè)流明等問(wèn)題H’。因此散熱和可靠性是影響人功率LED應(yīng)用主要因素。
3熱效應(yīng)對(duì)LED的影響
LED其光譜中不含紅外成分，產(chǎn)生的熱量不能靠輻射發(fā)出，故LED是冷光源。目前LED的發(fā)光效率僅能達(dá)到10％～20％，還有80％～90％的能量轉(zhuǎn)換成了熱量。
對(duì)丁二LED，結(jié)溫(當(dāng)電流流過(guò)LED元件時(shí)，P-N結(jié)的溫度將上升，嚴(yán)格意義上說(shuō)，就把P-N結(jié)區(qū)的溫度定義為L(zhǎng)ED的結(jié)溫。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我們也可把LED芯片的溫度視之為結(jié)溫。)高會(huì)導(dǎo)致器件各方面性能的變化與衰減。這種變化主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：
(1)減少LED的出光量；(2)造成LED發(fā)出光的峰值波長(zhǎng)偏移，從而導(dǎo)致光源的顏色發(fā)生偏移：(3)縮短LED的壽命。
大功率LED燈是否能夠正常工作，除LED芯片本身的岡素之外，在很大程度上還取決LED與散熱片的合理匹配及安裝接觸面的導(dǎo)熱條件。因此，散熱器的結(jié)構(gòu)形式及安裝工藝是大功率LED燈有效散熱的重要環(huán)節(jié)。
3．1散熱片概述
大功率LED燈的散熱片主要是以輻射和對(duì)流散熱，通過(guò)增加散熱總的有效面積，提高散熱性能。散熱片一般采用導(dǎo)熱率高的材料，可用鋁、鐵、銅等材料。在截面積利厚度相同的條件下，銅材的散熱效果最好。但一般多用鋁材，因鋁的散熱性能優(yōu)于鐵，而重量比銅、鐵輕的多，成本遠(yuǎn)低于銅。散熱器表面應(yīng)光潔平整，內(nèi)部不得有疏松氣孑L等缺陷。表面涂黑處理是將輻射率增大，有利于進(jìn)～步減小外熱阻。散熱器是由基體與若干翅片組成的散熱結(jié)構(gòu)，與單個(gè)翅片不同，其散熱單元為兩兩相鄰的翅片與基體組成的U形或V形等通道，因此，必須考慮間距和散熱片的肋片個(gè)數(shù)對(duì)散熱性能的影響。
散熱片的冷卻方式可分為自然冷卻和強(qiáng)迫冷卻兩類。強(qiáng)迫冷卻可分為強(qiáng)迫風(fēng)冷和強(qiáng)迫水冷兩種。臼然冷卻通過(guò)空氣自然對(duì)流及輻射作用將熱量帶走；強(qiáng)迫風(fēng)冷需要配備風(fēng)機(jī)，強(qiáng)迫水冷需要配備循環(huán)水系統(tǒng)。照明用大功率LED燈，均是白然空氣冷卻散熱∞。61。
現(xiàn)以一典型LED燈為例，使用熱分析軟件Fluent Icepak v4．2分析翅片各幾何參數(shù)、位置、材料、表面處理等對(duì)散熱性能的影響。建立物理模型：選定某一大功率LED芯片為熱源，工作在自然空氣冷卻條件下，選取的散熱器為鋁材料，鋁基板0．03mX 0．03m X 0．001m，LED芯片0．025mX 0．025m，散熱片基體、LED．芯片、鋁基板間通過(guò)導(dǎo)熱膠連接
3．2散熱片翹片的影響
任選一表面增設(shè)翅片，僅翅片某一幾何參數(shù)變化，其余參數(shù)保持不變時(shí)，分析LED芯片結(jié)溫變化情況。由上面分析結(jié)果可知，上表面翅片散熱效果較明顯，故選擇翅片縱向分布在散熱器基體上表面。翅片寬度0．003m，長(zhǎng)度0．14m，數(shù)量20均布，其他幾何參數(shù)及環(huán)境條件均保持不變，建立物理模型，如表3-2所示。
3．3散熱片表面處理的影響
散熱片以對(duì)流和輻射形式對(duì)外散熱，在自然對(duì)流情況下，應(yīng)考慮輻射的影響。表面處理指翅片表面涂覆復(fù)合材料或煮黑等氧化處理，提高翅片表面輻射率(輻射率是描述面輻射源特性的物理量。它表示輻射源在某一方向上的單位投影表面在單位立體角內(nèi)的輻射通量)。選擇翅片縱向分布在散熱片。翅片高度0．03m，厚度0．003m，長(zhǎng)度為0．14m，數(shù)目20片，均勻分布。在其他幾何參數(shù)及環(huán)境條件均保持不變的情況下。如表3—6所示。
4 結(jié)論
在對(duì)LED燈散熱片散熱性能分析中，我們并沒(méi)有改變散熱騙的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，由于散熱片主要是靠散熱片翹片增加散熱面積來(lái)達(dá)到有效散熱。如果改變散熱片與器件的連接基體，基體的散熱影響并不明顯，并且改變基體在實(shí)際中并不容易，會(huì)提高散熱片的成本。綜合上述可知：
1)散熱片雖然前、后、左、右四側(cè)面上單位面上的散熱效率高，但由于工藝搜到了限制。我們?cè)O(shè)計(jì)翅片或重點(diǎn)對(duì)上表面的翅片進(jìn)行優(yōu)化；
2)散熱片翅片厚度對(duì)散熱器性能的影響不如翅片長(zhǎng)度、高度、數(shù)目的影響明顯；所以在進(jìn)行散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮影響散熱片性能的主要因素，這樣既可以節(jié)省時(shí)間，也能滿足工程需求。翅片尺寸達(dá)到一定程度后，若繼續(xù)增大，其對(duì)散熱片散熱性能的增強(qiáng)效果就變得不明顯，因此翅片各幾何參數(shù)存在最優(yōu)值
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