隨著 LED 技術(shù)的不斷發(fā)展，LED 照明產(chǎn)品受到了越來(lái)越多的關(guān)注。與傳統(tǒng)照明光源相比，LED 照明光源是固體冷光燈，具備使用壽命長(zhǎng)、光效度高、無(wú)輻射、耗電量較少、抗沖擊和耐震特性好、安全性較高等優(yōu)點(diǎn)。在全世界普遍倡導(dǎo)綠色照明的今天，LED 作為新興綠色照明光源得到了廣泛青睞。但是，LED 照明產(chǎn)品在使用過(guò)程中容易出現(xiàn)溫度過(guò)高的情況，尤其是一些大功率 LED 照明產(chǎn)品的發(fā)熱問(wèn)題嚴(yán)重。LED 屬于高溫敏感元件，如果其發(fā)熱量很大、溫度過(guò)高，會(huì)直接影響LED 的光照效果、光色溫度等，甚至?xí)?duì) LED 照明產(chǎn)品的正常使用產(chǎn)生嚴(yán)重影響。對(duì)此，研究人員必須加強(qiáng)對(duì) LED 照明產(chǎn)品散熱問(wèn)題的研究。
散熱能力是 LED 照明產(chǎn)品必須具備的重要性能，在實(shí)際生活中，LED 照明產(chǎn)品往往用于不同的環(huán)境，這也對(duì) LED 照明產(chǎn)品的使用效率產(chǎn)生了非常大的影響。為了加強(qiáng) LED 照明產(chǎn)品的散熱能力，需要研究高溫對(duì) LED 照明產(chǎn)品性能的影響。
從 LED 的工作特性考慮，如果工作溫度高于 LED的所能承載的最高溫度，將會(huì)使 LED 的發(fā)光效能迅速下降，并形成強(qiáng)烈的光衰，從而導(dǎo)致 LED 的損壞。LED 多以透明的聚砜 / 環(huán)氧樹脂封裝，如果熱解溫度高于固相含量的轉(zhuǎn)變溫度（一般為 15 ℃），密封材質(zhì)會(huì)向膠態(tài)轉(zhuǎn)化，并且熱膨脹系數(shù)會(huì)驟升，進(jìn)而造成LED 的開路與損壞。
各個(gè)品牌的 LED 的光衰特性不同，LED 生產(chǎn)商一般會(huì)提供標(biāo)準(zhǔn)的光衰曲線[3]，作為選擇 LED 產(chǎn)品時(shí)的依據(jù)。LED 的壽命與它的光衰密切相關(guān)，使用時(shí)間越久，LED 的光照度會(huì)越低，直至最后熄滅。一般，將 LED的光通量衰減 30% 的時(shí)間定義為 LED 的壽命。高溫會(huì)造成 LED 光衰，縮短 LED 的壽命。
LED 構(gòu)成材料的某些參數(shù)會(huì)隨著環(huán)境溫度而變化，進(jìn)而引起 LED 器件參數(shù)的改變，直接影響 LED 的光輸出。通常情況下，光通量隨著溫度的增加而減小的過(guò)程是可逆的。在環(huán)境溫度返回初始溫度時(shí)，光通量會(huì)有一次恢復(fù)性的增加。這是因?yàn)楫?dāng)溫度回升至初態(tài)時(shí)，LED 元件的內(nèi)部參數(shù)不再變化，LED 的光輸出可以恢復(fù)至初態(tài)值。LED 的光通量有冷流明和熱流明之分，分別表示在室溫和某一環(huán)境溫度下時(shí) LED 的光輸出。
LED 照明產(chǎn)品普遍存在散熱問(wèn)題。與之相比，雖然白熾燈和熒光燈的電能損失都很大，但這些燈具都可以通過(guò)紫外線直接照射，光源的發(fā)熱很少。在 LED照明產(chǎn)品消耗的能源中，除了轉(zhuǎn)化為可視光源的部分，其他能源都轉(zhuǎn)換成了熱量。
此外，LED 封裝的體積較小，難以通過(guò)對(duì)流和輻照散熱，因此積累了大量的熱量。
LED 照明產(chǎn)品由許多零部件組成，各種零部件的材料不同，熱脹冷縮的幅度也不相同。在熱膨脹時(shí)，零部件材料會(huì)發(fā)生彎曲和龜裂，從而導(dǎo)致產(chǎn)品散熱不良，嚴(yán)重降低 LED 產(chǎn)品的使用效率。
如果導(dǎo)體元器件的工作溫度升高，電源的阻抗會(huì)減小，很容易進(jìn)入“溫度上升—阻抗降低—電壓升高—熱增強(qiáng)—溫度上升”的惡性循環(huán)，甚至出現(xiàn)燒斷的現(xiàn)象。
一般來(lái)說(shuō)，LED 照明產(chǎn)品所用的金屬材質(zhì)都易于氧化，且溫度越高氧化速度越快。高溫氧化會(huì)縮短LED 照明產(chǎn)品的壽命。
針對(duì)風(fēng)向?qū)?LED 照明產(chǎn)品散熱的影響，研究人員進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。一般來(lái)說(shuō)，在實(shí)景模擬環(huán)境中，風(fēng)向有水平向右、豎直向上和豎直向下三種，而風(fēng)速最大不會(huì)超過(guò) 1.50 m/s。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需要保證不同組使用的 LED 照明產(chǎn)品完全一致，除了風(fēng)向不同，其他的所有變量必須保持不變。在實(shí)驗(yàn)時(shí)，要注意測(cè)量 LED 照明產(chǎn)品的溫度，計(jì)算不同風(fēng)向下 LED 照明產(chǎn)品的散熱速度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在 LED 照明產(chǎn)品的散熱過(guò)程中，受豎直方向風(fēng)的影響較大。這主要是因?yàn)樨Q直向下的風(fēng)向與自然的空氣對(duì)流方向相反，使 LED 照明產(chǎn)品的最高溫度發(fā)生變化。
為了了解風(fēng)速對(duì) LED 照明產(chǎn)品散熱性能的影響，研究人員也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中，需要保證外部環(huán)境一致，然后逐漸增大風(fēng)速。在風(fēng)向豎直向下并且風(fēng)速較小時(shí)，LED 照明產(chǎn)品的最高溫度較高；隨著風(fēng)速的增長(zhǎng)，LED 照明產(chǎn)品的溫度會(huì)逐漸下降。
設(shè)計(jì) LED 照明產(chǎn)品的散熱架構(gòu)時(shí)，結(jié)構(gòu)層數(shù)越少、層的厚度越薄、層的體積越大、材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)越大，散熱性越好。此外，燈具的外形需要選擇長(zhǎng)方塊或環(huán)形。LED 照明產(chǎn)品的散熱設(shè)計(jì)必須遵循以被動(dòng)式散熱片為主、主動(dòng)式散熱片為輔的設(shè)計(jì)原則，并盡量減少或不用主動(dòng)散熱方式。
在封裝 LED 時(shí)，不會(huì)直接連接散熱片或設(shè)置電風(fēng)扇，而且 LED 的電源電路板會(huì)產(chǎn)生大量熱能，這使LED 照明產(chǎn)品的冷卻散熱成為十分棘手的問(wèn)題。對(duì)此，需要合理選用散熱片。散熱片能夠擴(kuò)大 LED 照明產(chǎn)品表面和室內(nèi)空氣的相互接觸面，從而提高 LED 照明產(chǎn)品的冷卻散熱效能。
通常，將散熱片的外部表面加工做成鰭片。鰭片的種類很多，鰭片的數(shù)量、位置、規(guī)格、傾斜角度和厚薄等都必須根據(jù)需求認(rèn)真選擇。除了普通的直線形狀，鰭片還有波浪形、螺旋狀、長(zhǎng)橢圓形和錐臺(tái)狀等形態(tài)，各種形態(tài)的制造目的都是方便室內(nèi)空氣對(duì)流、雨水沖洗等，以獲得最佳的散熱功效。
生產(chǎn)企業(yè)主要采用燒結(jié)和溝槽兩種生產(chǎn)方法生產(chǎn)散熱片，相同規(guī)格的燒結(jié)熱管與溝槽熱管的性能相同。其中，在燒結(jié)熱管時(shí)，會(huì)使用大量銅粉作填為充物，導(dǎo)致熱管的毛細(xì)管徑很小、浸透功率較小，燒結(jié)熱管的寬度增加時(shí)，熱管的導(dǎo)熱功效會(huì)減弱。因此，需要選用恰當(dāng)?shù)啮捚蜔峁芘浜鲜褂谩＠?，作為非常典型?LED 照明裝置，在 LED 路燈的使用過(guò)程中會(huì)采用熱管加鰭片、均溫板發(fā)熱管加鰭片等散熱方式，以提高路燈的散熱效率。
在散熱片的材質(zhì)中，銅的導(dǎo)熱性能比鋁好，但是銅的散熱速度慢于鋁，因此，可以結(jié)合銅、鋁的優(yōu)勢(shì)，使用全新的銅鋁復(fù)合散熱片。在銅鋁復(fù)合散熱片中，銅能夠迅速地將 LED 產(chǎn)生的高熱量帶給鋁，然后由鋁合金鰭片將高熱量散發(fā)出去，從而提高散熱效率。
散熱片管是散熱片的重要部件，其受熱端剛開始受熱時(shí)，管壁附近的水會(huì)瞬間汽化，形成大量水蒸氣，使這部分的壓強(qiáng)增加。水蒸氣會(huì)在水壓的帶動(dòng)下向冷卻端活動(dòng)，當(dāng)蒸氣流到達(dá)冷卻末端后凝結(jié)為液態(tài)，同時(shí)釋放大量熱能，再通過(guò)毛細(xì)力到達(dá)蒸騰受熱端，完成一個(gè)循環(huán)。
對(duì)于一些耗能大、對(duì)散熱片要求較高的 LED 照明產(chǎn)品，可以選擇金屬熱管作為散熱片管。LED 照明產(chǎn)品在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，熱量在 LED 照明產(chǎn)品內(nèi)部傳輸時(shí)，會(huì)通過(guò)熱沉部位直接傳給金屬熱管。因?yàn)榻饘贌峁苓M(jìn)行了加溫，所以在熱量傳輸?shù)倪^(guò)程中不會(huì)損失熱量。在熱管冷凝段內(nèi)部可以產(chǎn)生熱能，這些熱能可以輸送到熱管內(nèi)部，并通過(guò)熱傳導(dǎo)效應(yīng)，逐步傳遞到金屬材料分散片。通過(guò)分散片和周邊冷卻空氣的自然熱力傳播過(guò)程，熱能可以從金屬材料分散片上被分散出去。
在實(shí)際的散熱器設(shè)計(jì)中，一般采用外置式散熱器與燈殼相結(jié)合、內(nèi)置式散熱器與溫控風(fēng)扇相結(jié)合的設(shè)計(jì)方式。LED 器件產(chǎn)生的熱量可以經(jīng)密封的引線向集成電路板移動(dòng)，而后經(jīng)由散熱片散發(fā)出去；電源電路板產(chǎn)生的熱能可以經(jīng)集成電路板周邊的空氣和充填物料，直接透過(guò)散熱片向外界分散。為了消除傳熱途徑中影響傳熱效率的因素，可以在傳熱途徑中采用導(dǎo)熱性能更好的材質(zhì)、增加路徑的斷面體積，或者涂上導(dǎo)熱潤(rùn)滑劑，使產(chǎn)品的銜接部位不留縫隙。如果冷卻散熱片不能向外散熱，在 LED 器件內(nèi)部會(huì)積聚大量熱量。對(duì)此，需要采取措施優(yōu)化冷卻散熱片的表層結(jié)構(gòu)，典型的辦法就是在表層多設(shè)置一些散熱片，增加散熱器的散熱面積。
LED 產(chǎn)生的內(nèi)部熱量可以通過(guò)黏結(jié)層傳輸給金屬電路板，再?gòu)碾娐钒褰?jīng)過(guò)黏結(jié)層傳輸給散熱片，輻射到周圍環(huán)境。密封工藝、鍵合材料、基板材質(zhì)都是LED 散熱設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。LED 產(chǎn)生的熱能需要經(jīng)由連接層傳遞至 Si 襯底，再經(jīng)過(guò) Si 襯底和黏結(jié)材質(zhì)傳遞至金屬支架底座上，該架構(gòu)需要擁有良好的電工性質(zhì)和熱學(xué)特性。
要想提高 LED 照明產(chǎn)品的散熱能力，就必須選擇合適的鍵合材料，做好 LED 照明產(chǎn)品的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。一般來(lái)說(shuō)，LED 照明產(chǎn)品會(huì)使用粘連材料，粘連材料會(huì)受外界溫度及濕度的影響。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們也對(duì)粘連材料進(jìn)行了改進(jìn)。在設(shè)計(jì) LED 照明產(chǎn)品時(shí)，可以根據(jù)照明產(chǎn)品的實(shí)際情況，選擇合適的鍵合材料，提高鍵合材料的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，簡(jiǎn)化其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高 LED 照明產(chǎn)品的散熱能力。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，要想解決 LED 照明產(chǎn)品的散熱問(wèn)題，就要根據(jù)實(shí)際情況，選擇合適的金屬熱管等建設(shè)材料。使用者在使用 LED 照明產(chǎn)品時(shí)，不僅要注重產(chǎn)品的散熱性能，還要注意環(huán)境因素對(duì) LED 照明產(chǎn)品散熱的影響。
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