施克孝

（中廣國際建筑設(shè)計研究院，北京 100034）

有些讀者可能認為，LED是冷光源，怎么會有熱量需要散出呢？其實，LED被稱為冷光源，是指它的光譜不像白熾燈光譜中那樣有大量的紅外線，特別是灼熱“烤臉”的近紅外線。另外，雖然目前LED光源整體功率還不算大，但換算成單位體積發(fā)熱量時，卻遠遠超過其他光源。

判斷一種光源是不是發(fā)熱，要看它的輸入能量有多少變成了可見光，有多少變成了熱量了。變成可見光的能量越多，發(fā)熱就越少。如果能做到把全部電能都轉(zhuǎn)換成可見光，那么LED就不再散發(fā)熱量。當然，驅(qū)動電源還會有少量熱量散發(fā)，這部分熱量與LED光源相比是很少的。

LED光源是把電能轉(zhuǎn)換成光能的半導體器件。目前，大功率LED光源將電變成光的效率大約為30%，剩下的70%左右都變成了熱量。這么多的熱量如果不及時散發(fā)出去，不僅使LED光源的發(fā)光效率降低、使用壽命縮短，嚴重時還會燒毀LED芯片的P-N結(jié)，使燈具損壞。

LED光源P-N結(jié)處的溫度稱為“結(jié)溫”，用TJ表示。結(jié)溫不同，出光率也就不同。美國Lumileds Lighting公司K2系列大功率白光LED的結(jié)溫與出光率的關(guān)系如圖1所示。

參見圖1，在結(jié)溫為25℃時，一般定義此時的出光率為100%；當結(jié)溫為75℃時，LED發(fā)光量為結(jié)溫25℃時發(fā)光量的90%（出光率為90%）；當結(jié)溫為120℃時，LED發(fā)光量為結(jié)溫25℃時發(fā)光量的80%（出光率為80%）。這就是說，LED的P-N結(jié)溫度降低，不但能大大延長LED的有效壽命，還能提高出光率。因此，在大功率LED燈具設(shè)計中最主要的工作有兩項，一項是燈具的光路設(shè)計，另一項就是散熱設(shè)計。

圖1 K2結(jié)溫與出光率的關(guān)系曲線

下面分幾步談LED燈具的散熱問題。

1 熱阻

在自然界中，熱總是從溫度高的地方向溫度低的地方傳遞。在熱的傳遞過程中，各種材料的導熱性能是不同的。LED芯片的面積一般很小，即使是大功率的LED，其芯片面積也只有1mm2左右。大功率LED的結(jié)構(gòu)如圖2所示。因此，為了散熱，LED芯片要粘接在一個散熱基片上。

材料導熱性能的快與慢，通常用熱阻R來表示，它的單位是℃/W。 所謂熱阻，就是器件對散熱所產(chǎn)生的的阻力。熱阻的定義為：在熱平衡狀態(tài)下，兩種材料之間或兩個部位之間的溫度差，與熱耗散功率之比，也就是每一瓦電功率的溫差是多少。溫差越小，說明導熱越快，導熱性能越好。例如，一個100 W的LED芯片與散熱器之間溫度差為80℃，那么，LED芯片與散熱器之間的熱阻就是0.8 ℃/W。

從面積小的材料向面積大的材料散熱的熱阻（如P-N結(jié)到散熱基片的熱阻）叫做擴散熱阻。它的大小除與材料的導熱率有關(guān)外，還與接觸面積和形狀有關(guān)。在面積一定的條件下，矩形的擴散熱阻低于方形的，橢圓形的熱阻小于圓形的。從加工工藝等各種因素考慮，一般LED芯片是方形的，散熱基片是圓形的。

在考慮散熱時，大功率LED芯片、粘接材料、散熱基片、封裝材料通常作為一個整體。它粘接在一個基板上，基板再與散熱器相連。因此，LED燈具的散熱路徑是：LED芯片→基板→散熱器→空氣。

多年以來，科學家一直在尋找導熱更快的材料及導熱方法。

2 熱管

熱管技術(shù)，因1963年美國國家實驗室發(fā)明的一種稱為“熱管”的傳熱元件而得名。它最初是用在人造地球衛(wèi)星上的一種導熱方法。熱管的熱阻極小，導熱能力遠遠超過任何已知金屬，是銅材導熱能力的100倍以上。熱管技術(shù)現(xiàn)已從宇航、軍工領(lǐng)域走向散熱器制造業(yè)。它改變了散熱器的設(shè)計思路，擺脫了單純依靠高風量風機來獲得更好散熱的單一散熱模式。采用熱管技術(shù)使得散熱器可以采用低速風機甚至不用風機就可以解決大功率LED燈具的散熱問題。這對要求低噪聲環(huán)境的場所（例如電視臺的新聞演播室等）具有重要意義。

熱管的工作原理如圖3示。

熱管由管殼、吸液芯和液體介質(zhì)組成。熱管內(nèi)部被抽成負壓狀態(tài)，充入適當?shù)囊后w介質(zhì)，這種液體要求沸點低，容易揮發(fā)。管壁內(nèi)裝有吸液芯，其由毛細多孔材料構(gòu)成。熱管的一端為蒸發(fā)端，另一端為冷凝端。當熱管的蒸發(fā)端受熱時，吸液芯中的液體迅速蒸發(fā)汽化，汽化過程大量吸收熱量（汽化熱），蒸汽在微小的壓力差下流向冷凝端，釋放出熱量，并重新凝結(jié)成液體，液化過程大量釋放熱量（液化熱），液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回到蒸發(fā)端，如此循環(huán)不止，熱量由一端傳至另一端。這種循環(huán)是快速進行的，熱量可以源源不斷地傳遞。筆者曾拿一根直徑6 mm的熱管插入60℃的水中，立刻燙手，感覺不到時間差，可見熱管的導熱極快。

圖2 大功率LED的結(jié)構(gòu)

圖3 熱管的工作原理

成品的熱管如圖4所示，它的蒸發(fā)端有一個與散熱體接觸的平面，冷凝端一般都帶有鰭片，以增加散熱效果。

圖4 熱管加鰭片散熱

3 散熱途徑

LED光源的散熱途徑有3種，分別是熱傳導、熱對流和熱輻射。熱傳導主要發(fā)生在LED芯片與基板、散熱器之間，熱對流主要發(fā)生在散熱器和周圍的空氣之間，熱輻射是指散熱器向周圍空氣以紅外線的形式散發(fā)熱量。一般情況下，熱傳導及熱對流是LED燈具的主要散熱途徑。

按散熱方式劃分，又分為主動散熱和被動散熱。主動散熱方式包括加裝風扇強制散熱、水冷散熱、半導體制冷芯片散熱。大功率LED燈具最常采用的強制散熱方式就是加裝風扇，使空氣快速流動帶走散熱器上的熱量。水冷散熱和半導體制冷芯片散熱方式因為需要額外消耗更多電能，并增加其他結(jié)構(gòu)，使散熱成本上升，因此，在LED燈具中不予采用。

LED燈具主要有兩種被動散熱方法：

（1）自然散熱：自然散熱采用熱傳導、熱對流及熱輻射作為基本的散熱原理。它主要是用熱傳導把熱從芯片傳到基板，再傳到散熱器，然后通過散熱器的鰭片與周圍空氣的對流實現(xiàn)散熱。

圖5 LED燈具的熱阻

自然散熱的優(yōu)點是散熱成本低，結(jié)構(gòu)簡單。但這種方式因散熱效率低，只適合小功率LED燈具。

（2）熱管加鰭片：如前所述，熱管是一種新型高效的傳熱元件，具有緊湊、可靠、高效、壽命長、免維護等優(yōu)點。一根直徑為6 mm的圓形熱管可以實現(xiàn)30 W～40 W功率的散熱量。100 W～120 W的大功率LED燈具，使用3～4根6 mm圓形熱管，制冷端加鰭片，就可以很好地解決散熱問題。

圖5為一臺LED燈具的簡化圖，其中紅色豎向長方塊表示LED芯片，結(jié)溫為TJA；粉色豎向長方塊表示基板，溫度為TJB；燈具最后端表面溫度為TJC； 燈具周圍空氣（距散熱片3 mm）的溫度為TJD?？偀嶙杈褪侨齻€熱阻之和，即：

式中：

RZ—總熱阻，℃/W

RAB—從LED芯片到基板的熱阻，℃/W

RBC—從基板到燈具最后端表面的熱阻，℃/W

RCD—從燈具最后端表面到空氣的熱阻，℃/W

從LED芯片到空氣（即環(huán)境溫度）的總溫差等于總熱阻與LED芯片功率的乘積，即：

式中：

△T — 從LED芯片到空氣的總溫差，℃

RZ— 總熱阻，℃/W

P— LED芯片的功率，W

總溫差與總熱阻成正比，總熱阻越小，總溫差也就越小，說明介質(zhì)的導熱性能越好。例如，最近飛利浦公司推出一款130 W的LED燈具（含紅、綠、藍、白4種顏色），紅色芯片（30 W）、綠色芯片（48 W）結(jié)溫到散熱片的熱阻為0.80 ℃/W，藍色芯片（33 W）結(jié)溫到散熱片的熱阻為1.2 ℃/W，白色芯片（32 W）結(jié)溫到散熱片的熱阻為0.83 ℃/W。這樣可以計算出4色LED的P-N結(jié)點到散熱片的溫差：

紅色芯片： △TH= 0.80×30 =24℃

綠色芯片： △TG= 0.80×48 =38.4℃

藍色芯片： △TB= 1.2×33 = 39.6℃

白色芯片： △TW= 0.83×32 = 26.56℃

式中：

△TH— —紅色芯片的P-N結(jié)到散熱片的溫差，℃

△TG— —綠色芯片的P-N結(jié)到散熱片的溫差，℃

△TB— —藍色芯片的P-N結(jié)到散熱片的溫差，℃

△TW— —白色芯片的P-N結(jié)到散熱片的溫差，℃

由此可見，如果散熱片的溫度是60℃（正常情況下散熱片的溫度不應(yīng)超過這個溫度），LED芯片的結(jié)點溫度還不到100℃。因為熱阻較以前有了大幅度的降低，所以很有利于提高LED的光效及壽命。飛利浦公司稱該款燈具的芯片壽命超過60 000 h。

最近，佛山飛達影視器材有限公司推出一款200 W的LED燈具，由于從芯片到基板采用了新型的散熱技術(shù)，并在基板后使用了熱管及低噪聲風扇，使總熱阻變得非常小。在環(huán)境溫度為30℃的條件下，燈體溫度不超過45℃，LED基板焊點溫度不超過55℃。這樣，就確保了燈具的高光效及長壽命。

由此可見，減小各個環(huán)節(jié)的熱阻是制造商在大功率LED燈具設(shè)計中需要重點攻關(guān)的課題，這涉及到燈具效率、光源壽命等多項指標?？梢哉f，燈具散熱的好壞，是決定燈具生命力的重要因素之一。

［1］楊清德，楊蘭云. LED及其應(yīng)用技術(shù)問答. 北京：電子工業(yè)出版社，2011

［2］周志敏，紀愛華. 大功率LED照明技術(shù)設(shè)計與應(yīng)用. 北京：電子工業(yè)出版社，2011

［3］方志烈. 半導體照明技術(shù). 北京：電子工業(yè)出版社，2009