張甫江

摘 要：相比于日光燈、白熾燈等傳統(tǒng)光源，發(fā)光二極管LED以省電、環(huán)保、壽命長、全固態(tài)、體積小等優(yōu)點被稱為照明綠色光源。隨著取出熒光粉量子效率以及芯片封裝制造技術(shù)的不斷提升，從性能與結(jié)構(gòu)上來看，LED取得了不小進步。文章探討大功率LED燈具散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計，希望能在日常照明及汽車照明等諸多領(lǐng)域得到推廣與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：LED燈具 ?大功率 ?普通照明 ?互通式散熱結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TN305 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（c）-0036-01

LED技術(shù)獨特的優(yōu)勢給照明領(lǐng)域帶來日新月異的變化，而大功率LED燈具照明也越來越多地被使用。但大功率LED照明在給人們帶來便捷生活的同時，也存在一些問題，如該文中要分析的大功率LED燈具散熱問題。大功率LED燈具的使用壽命直接受到其散熱結(jié)構(gòu)的直接影響，可以說在整個燈具散熱問題上，設(shè)計散熱器結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵一環(huán)。

1 大功率LED燈具壽命受溫度影響

對于大功率LED燈具而言，在溫度的影響下，分別在電極引線、環(huán)氧樹脂、芯片等方面發(fā)生失效。電極引線能夠承受很強的震動及電流沖擊，但因環(huán)氧樹脂，在高溫條件下，芯片材料與電極引線的熱膨脹系數(shù)不同，產(chǎn)生的變形也不同，導(dǎo)致失效，如發(fā)生引線斷裂等。環(huán)氧樹脂是指分子中含有兩個或兩個以上環(huán)氧基團的有機高分子化合物。為了將LED使用壽命有效提高，所使用的材料必須具有相近的熱系數(shù)。

2 LED燈具散熱器

從能量意義上來看，熱其實只是傳遞能量的形式，而并非能量。當(dāng)外界能量沖擊分子，能量由高能分子傳遞給低能分子，從微觀角度進行分析，能量的傳遞就是熱。而熱量的3種傳遞方式由輻射、對流、熱傳導(dǎo)。除了LED芯片外，LED燈具散熱器接觸導(dǎo)熱良好與否是確保LED燈具穩(wěn)定照明的關(guān)鍵因素。因此，對LED散熱器的制作、結(jié)構(gòu)、安裝等工作進行充分考慮是必要的。通過熱對流與熱傳導(dǎo)，LED散熱器將熱量疏散到空氣中，散熱器利用導(dǎo)熱能力的提升與散熱有效面積的增加來提高自身散熱性，以應(yīng)對LED燈具的正常照明。從上述內(nèi)容來看，LED散熱器的工作主要是散熱和防護。

3 設(shè)計優(yōu)化散熱器

350 mA、700 mA、1 A都是大功率型LED驅(qū)動電流，大功率加速熒光粉的老化，降低出光率，LED芯片內(nèi)部的熱量積聚，這些問題都大大縮減了散熱器壽命。LED最大功率會受封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化程度與LED芯片熱沉材料熱導(dǎo)率的高低等的影響。

3.1 LED燈具散熱設(shè)計方法的選擇

LED散熱設(shè)計通常選用流體動力學(xué)軟件仿真，流體的固體邊界和黏性對流體流動的阻力所產(chǎn)生的影響，使流動中的流體受到局部和沿程阻力的干擾，對此，LED散熱器的設(shè)計科采用自然散熱的方式，實際需求外輪廓圖可按照相關(guān)約束條件進行設(shè)計;針對LED燈具散熱器的散熱器基板厚度、散熱齒間距、散熱齒形狀、散熱齒厚度等，按照散熱器相關(guān)設(shè)計準(zhǔn)則進行優(yōu)化設(shè)計;最后進行校驗。

3.2 自然冷卻散熱器設(shè)計

考慮到自然冷卻時邊界層溫度較厚等情況，若齒之間距離過小，就容易交叉各自的熱邊界，會干擾到齒表面的對流。一般情況下，自然冷卻散熱器間距超過12 mm，如果散熱器齒低于10 mm，散熱器齒間距則應(yīng)按照齒間距離超過1.2倍齒高的原則決定。發(fā)黑處理自然冷散熱器是為了增強輻射換熱，同時增加散熱器表面輻射系數(shù)。要想散熱器能承載瞬時熱負荷，其基板和齒厚應(yīng)確保超過5 mm的厚度。

4 PCB板加散熱片

在LED芯片電路PCB板的背面附著散熱片（如圖1所示），如鋁板沖壓件等，適用于實際計算結(jié)溫超出理論設(shè)計上限結(jié)溫的情況。圖1中，231為正對于空心柱的散熱鰭片;232為非正對于空心柱的散熱鰭片;25為空心柱;252為外側(cè)壁?？招闹乃拿嫱鈧?cè)壁均對應(yīng)一朝外發(fā)散的輻射區(qū)域，每個輻射區(qū)域所在的散熱鰭片垂直于該區(qū)域所對應(yīng)的外側(cè)壁，散熱鰭片與空心柱有一距離且在空心柱的外圍形成“井”字形通道，底座是一體成型的。本散熱結(jié)構(gòu)的LED燈，一圈散熱鰭片能夠前后左右互通，其通風(fēng)效果好，進一步提高了散熱性能。（見圖1）

例如，一旦發(fā)生該情況，在實際計算結(jié)溫為103 ℃的PCB背后附著一塊10 ℃/W熱阻的散熱片，那么實際計算結(jié)溫可控制在90 ℃以下，確保、延長了大功率LED燈具使用壽命。以燈具總熱阻和總體散熱為前提來設(shè)計大功率LED整體散熱方案，要盡量降低總熱阻，需要降低各種不同介質(zhì)自身熱阻、選用的導(dǎo)熱膠還應(yīng)具有很高導(dǎo)熱性、以及改變結(jié)合導(dǎo)熱膠的各種介質(zhì)的界面熱阻。

5 結(jié)語

高安全性、長壽面、應(yīng)用靈活、環(huán)保、節(jié)能、高效等是發(fā)光二極管的優(yōu)點，LED技術(shù)在不斷的應(yīng)用與實踐中取得了進步，但LED產(chǎn)品熱量的快速聚集的問題限制了大功率LED發(fā)展，為致力于大功率LED光效及使用壽命的延長等問題，簡要分析大功率LED燈具散熱結(jié)構(gòu)，除了文章中提到的設(shè)計外，還應(yīng)重視散熱片的選擇，散熱片采用帶翅片的鋁材或銅材，在安裝時還應(yīng)確?；迮c燈具散熱片接觸面的結(jié)合程度。本文著手大功率LED散熱問題，通過對大功率LED燈具散熱結(jié)構(gòu)分析，將其結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化，優(yōu)質(zhì)了大功率LED燈具照明，有效改善散熱，將LED光源芯片所產(chǎn)生的熱量迅速散發(fā)，實現(xiàn)了其經(jīng)濟效益的提升。

參考文獻

[1] 施曉紅，陳超中，李為軍，等.聚焦LED燈具和LED光源的基本概念[J].中國照明電器，2010（10）：33-36.

[2] 劉衛(wèi)國，宋穎，鄒俊林，等.LED燈模擬作物間作套種群體內(nèi)光環(huán)境的設(shè)計與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011（8）：288-292.

[3] 鄧欣，涂耘.高壓鈉燈與LED燈在公路隧道中的應(yīng)用對比分析[J].公路交通技術(shù)，2012（6）：114-119.

摘 要：相比于日光燈、白熾燈等傳統(tǒng)光源，發(fā)光二極管LED以省電、環(huán)保、壽命長、全固態(tài)、體積小等優(yōu)點被稱為照明綠色光源。隨著取出熒光粉量子效率以及芯片封裝制造技術(shù)的不斷提升，從性能與結(jié)構(gòu)上來看，LED取得了不小進步。文章探討大功率LED燈具散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計，希望能在日常照明及汽車照明等諸多領(lǐng)域得到推廣與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：LED燈具 ?大功率 ?普通照明 ?互通式散熱結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TN305 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（c）-0036-01

LED技術(shù)獨特的優(yōu)勢給照明領(lǐng)域帶來日新月異的變化，而大功率LED燈具照明也越來越多地被使用。但大功率LED照明在給人們帶來便捷生活的同時，也存在一些問題，如該文中要分析的大功率LED燈具散熱問題。大功率LED燈具的使用壽命直接受到其散熱結(jié)構(gòu)的直接影響，可以說在整個燈具散熱問題上，設(shè)計散熱器結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵一環(huán)。

1 大功率LED燈具壽命受溫度影響

對于大功率LED燈具而言，在溫度的影響下，分別在電極引線、環(huán)氧樹脂、芯片等方面發(fā)生失效。電極引線能夠承受很強的震動及電流沖擊，但因環(huán)氧樹脂，在高溫條件下，芯片材料與電極引線的熱膨脹系數(shù)不同，產(chǎn)生的變形也不同，導(dǎo)致失效，如發(fā)生引線斷裂等。環(huán)氧樹脂是指分子中含有兩個或兩個以上環(huán)氧基團的有機高分子化合物。為了將LED使用壽命有效提高，所使用的材料必須具有相近的熱系數(shù)。

2 LED燈具散熱器

從能量意義上來看，熱其實只是傳遞能量的形式，而并非能量。當(dāng)外界能量沖擊分子，能量由高能分子傳遞給低能分子，從微觀角度進行分析，能量的傳遞就是熱。而熱量的3種傳遞方式由輻射、對流、熱傳導(dǎo)。除了LED芯片外，LED燈具散熱器接觸導(dǎo)熱良好與否是確保LED燈具穩(wěn)定照明的關(guān)鍵因素。因此，對LED散熱器的制作、結(jié)構(gòu)、安裝等工作進行充分考慮是必要的。通過熱對流與熱傳導(dǎo)，LED散熱器將熱量疏散到空氣中，散熱器利用導(dǎo)熱能力的提升與散熱有效面積的增加來提高自身散熱性，以應(yīng)對LED燈具的正常照明。從上述內(nèi)容來看，LED散熱器的工作主要是散熱和防護。

3 設(shè)計優(yōu)化散熱器

350 mA、700 mA、1 A都是大功率型LED驅(qū)動電流，大功率加速熒光粉的老化，降低出光率，LED芯片內(nèi)部的熱量積聚，這些問題都大大縮減了散熱器壽命。LED最大功率會受封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化程度與LED芯片熱沉材料熱導(dǎo)率的高低等的影響。

3.1 LED燈具散熱設(shè)計方法的選擇

LED散熱設(shè)計通常選用流體動力學(xué)軟件仿真，流體的固體邊界和黏性對流體流動的阻力所產(chǎn)生的影響，使流動中的流體受到局部和沿程阻力的干擾，對此，LED散熱器的設(shè)計科采用自然散熱的方式，實際需求外輪廓圖可按照相關(guān)約束條件進行設(shè)計;針對LED燈具散熱器的散熱器基板厚度、散熱齒間距、散熱齒形狀、散熱齒厚度等，按照散熱器相關(guān)設(shè)計準(zhǔn)則進行優(yōu)化設(shè)計;最后進行校驗。

3.2 自然冷卻散熱器設(shè)計

考慮到自然冷卻時邊界層溫度較厚等情況，若齒之間距離過小，就容易交叉各自的熱邊界，會干擾到齒表面的對流。一般情況下，自然冷卻散熱器間距超過12 mm，如果散熱器齒低于10 mm，散熱器齒間距則應(yīng)按照齒間距離超過1.2倍齒高的原則決定。發(fā)黑處理自然冷散熱器是為了增強輻射換熱，同時增加散熱器表面輻射系數(shù)。要想散熱器能承載瞬時熱負荷，其基板和齒厚應(yīng)確保超過5 mm的厚度。

4 PCB板加散熱片

在LED芯片電路PCB板的背面附著散熱片（如圖1所示），如鋁板沖壓件等，適用于實際計算結(jié)溫超出理論設(shè)計上限結(jié)溫的情況。圖1中，231為正對于空心柱的散熱鰭片;232為非正對于空心柱的散熱鰭片;25為空心柱;252為外側(cè)壁?？招闹乃拿嫱鈧?cè)壁均對應(yīng)一朝外發(fā)散的輻射區(qū)域，每個輻射區(qū)域所在的散熱鰭片垂直于該區(qū)域所對應(yīng)的外側(cè)壁，散熱鰭片與空心柱有一距離且在空心柱的外圍形成“井”字形通道，底座是一體成型的。本散熱結(jié)構(gòu)的LED燈，一圈散熱鰭片能夠前后左右互通，其通風(fēng)效果好，進一步提高了散熱性能。（見圖1）

例如，一旦發(fā)生該情況，在實際計算結(jié)溫為103 ℃的PCB背后附著一塊10 ℃/W熱阻的散熱片，那么實際計算結(jié)溫可控制在90 ℃以下，確保、延長了大功率LED燈具使用壽命。以燈具總熱阻和總體散熱為前提來設(shè)計大功率LED整體散熱方案，要盡量降低總熱阻，需要降低各種不同介質(zhì)自身熱阻、選用的導(dǎo)熱膠還應(yīng)具有很高導(dǎo)熱性、以及改變結(jié)合導(dǎo)熱膠的各種介質(zhì)的界面熱阻。

5 結(jié)語

高安全性、長壽面、應(yīng)用靈活、環(huán)保、節(jié)能、高效等是發(fā)光二極管的優(yōu)點，LED技術(shù)在不斷的應(yīng)用與實踐中取得了進步，但LED產(chǎn)品熱量的快速聚集的問題限制了大功率LED發(fā)展，為致力于大功率LED光效及使用壽命的延長等問題，簡要分析大功率LED燈具散熱結(jié)構(gòu)，除了文章中提到的設(shè)計外，還應(yīng)重視散熱片的選擇，散熱片采用帶翅片的鋁材或銅材，在安裝時還應(yīng)確?；迮c燈具散熱片接觸面的結(jié)合程度。本文著手大功率LED散熱問題，通過對大功率LED燈具散熱結(jié)構(gòu)分析，將其結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化，優(yōu)質(zhì)了大功率LED燈具照明，有效改善散熱，將LED光源芯片所產(chǎn)生的熱量迅速散發(fā)，實現(xiàn)了其經(jīng)濟效益的提升。

參考文獻

[1] 施曉紅，陳超中，李為軍，等.聚焦LED燈具和LED光源的基本概念[J].中國照明電器，2010（10）：33-36.

[2] 劉衛(wèi)國，宋穎，鄒俊林，等.LED燈模擬作物間作套種群體內(nèi)光環(huán)境的設(shè)計與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011（8）：288-292.

[3] 鄧欣，涂耘.高壓鈉燈與LED燈在公路隧道中的應(yīng)用對比分析[J].公路交通技術(shù)，2012（6）：114-119.

摘 要：相比于日光燈、白熾燈等傳統(tǒng)光源，發(fā)光二極管LED以省電、環(huán)保、壽命長、全固態(tài)、體積小等優(yōu)點被稱為照明綠色光源。隨著取出熒光粉量子效率以及芯片封裝制造技術(shù)的不斷提升，從性能與結(jié)構(gòu)上來看，LED取得了不小進步。文章探討大功率LED燈具散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計，希望能在日常照明及汽車照明等諸多領(lǐng)域得到推廣與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：LED燈具 ?大功率 ?普通照明 ?互通式散熱結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TN305 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）10（c）-0036-01

LED技術(shù)獨特的優(yōu)勢給照明領(lǐng)域帶來日新月異的變化，而大功率LED燈具照明也越來越多地被使用。但大功率LED照明在給人們帶來便捷生活的同時，也存在一些問題，如該文中要分析的大功率LED燈具散熱問題。大功率LED燈具的使用壽命直接受到其散熱結(jié)構(gòu)的直接影響，可以說在整個燈具散熱問題上，設(shè)計散熱器結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵一環(huán)。

1 大功率LED燈具壽命受溫度影響

對于大功率LED燈具而言，在溫度的影響下，分別在電極引線、環(huán)氧樹脂、芯片等方面發(fā)生失效。電極引線能夠承受很強的震動及電流沖擊，但因環(huán)氧樹脂，在高溫條件下，芯片材料與電極引線的熱膨脹系數(shù)不同，產(chǎn)生的變形也不同，導(dǎo)致失效，如發(fā)生引線斷裂等。環(huán)氧樹脂是指分子中含有兩個或兩個以上環(huán)氧基團的有機高分子化合物。為了將LED使用壽命有效提高，所使用的材料必須具有相近的熱系數(shù)。

2 LED燈具散熱器

從能量意義上來看，熱其實只是傳遞能量的形式，而并非能量。當(dāng)外界能量沖擊分子，能量由高能分子傳遞給低能分子，從微觀角度進行分析，能量的傳遞就是熱。而熱量的3種傳遞方式由輻射、對流、熱傳導(dǎo)。除了LED芯片外，LED燈具散熱器接觸導(dǎo)熱良好與否是確保LED燈具穩(wěn)定照明的關(guān)鍵因素。因此，對LED散熱器的制作、結(jié)構(gòu)、安裝等工作進行充分考慮是必要的。通過熱對流與熱傳導(dǎo)，LED散熱器將熱量疏散到空氣中，散熱器利用導(dǎo)熱能力的提升與散熱有效面積的增加來提高自身散熱性，以應(yīng)對LED燈具的正常照明。從上述內(nèi)容來看，LED散熱器的工作主要是散熱和防護。

3 設(shè)計優(yōu)化散熱器

350 mA、700 mA、1 A都是大功率型LED驅(qū)動電流，大功率加速熒光粉的老化，降低出光率，LED芯片內(nèi)部的熱量積聚，這些問題都大大縮減了散熱器壽命。LED最大功率會受封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化程度與LED芯片熱沉材料熱導(dǎo)率的高低等的影響。

3.1 LED燈具散熱設(shè)計方法的選擇

LED散熱設(shè)計通常選用流體動力學(xué)軟件仿真，流體的固體邊界和黏性對流體流動的阻力所產(chǎn)生的影響，使流動中的流體受到局部和沿程阻力的干擾，對此，LED散熱器的設(shè)計科采用自然散熱的方式，實際需求外輪廓圖可按照相關(guān)約束條件進行設(shè)計;針對LED燈具散熱器的散熱器基板厚度、散熱齒間距、散熱齒形狀、散熱齒厚度等，按照散熱器相關(guān)設(shè)計準(zhǔn)則進行優(yōu)化設(shè)計;最后進行校驗。

3.2 自然冷卻散熱器設(shè)計

考慮到自然冷卻時邊界層溫度較厚等情況，若齒之間距離過小，就容易交叉各自的熱邊界，會干擾到齒表面的對流。一般情況下，自然冷卻散熱器間距超過12 mm，如果散熱器齒低于10 mm，散熱器齒間距則應(yīng)按照齒間距離超過1.2倍齒高的原則決定。發(fā)黑處理自然冷散熱器是為了增強輻射換熱，同時增加散熱器表面輻射系數(shù)。要想散熱器能承載瞬時熱負荷，其基板和齒厚應(yīng)確保超過5 mm的厚度。

4 PCB板加散熱片

在LED芯片電路PCB板的背面附著散熱片（如圖1所示），如鋁板沖壓件等，適用于實際計算結(jié)溫超出理論設(shè)計上限結(jié)溫的情況。圖1中，231為正對于空心柱的散熱鰭片;232為非正對于空心柱的散熱鰭片;25為空心柱;252為外側(cè)壁?？招闹乃拿嫱鈧?cè)壁均對應(yīng)一朝外發(fā)散的輻射區(qū)域，每個輻射區(qū)域所在的散熱鰭片垂直于該區(qū)域所對應(yīng)的外側(cè)壁，散熱鰭片與空心柱有一距離且在空心柱的外圍形成“井”字形通道，底座是一體成型的。本散熱結(jié)構(gòu)的LED燈，一圈散熱鰭片能夠前后左右互通，其通風(fēng)效果好，進一步提高了散熱性能。（見圖1）

例如，一旦發(fā)生該情況，在實際計算結(jié)溫為103 ℃的PCB背后附著一塊10 ℃/W熱阻的散熱片，那么實際計算結(jié)溫可控制在90 ℃以下，確保、延長了大功率LED燈具使用壽命。以燈具總熱阻和總體散熱為前提來設(shè)計大功率LED整體散熱方案，要盡量降低總熱阻，需要降低各種不同介質(zhì)自身熱阻、選用的導(dǎo)熱膠還應(yīng)具有很高導(dǎo)熱性、以及改變結(jié)合導(dǎo)熱膠的各種介質(zhì)的界面熱阻。

5 結(jié)語

高安全性、長壽面、應(yīng)用靈活、環(huán)保、節(jié)能、高效等是發(fā)光二極管的優(yōu)點，LED技術(shù)在不斷的應(yīng)用與實踐中取得了進步，但LED產(chǎn)品熱量的快速聚集的問題限制了大功率LED發(fā)展，為致力于大功率LED光效及使用壽命的延長等問題，簡要分析大功率LED燈具散熱結(jié)構(gòu)，除了文章中提到的設(shè)計外，還應(yīng)重視散熱片的選擇，散熱片采用帶翅片的鋁材或銅材，在安裝時還應(yīng)確保基板與燈具散熱片接觸面的結(jié)合程度。本文著手大功率LED散熱問題，通過對大功率LED燈具散熱結(jié)構(gòu)分析，將其結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu)化，優(yōu)質(zhì)了大功率LED燈具照明，有效改善散熱，將LED光源芯片所產(chǎn)生的熱量迅速散發(fā)，實現(xiàn)了其經(jīng)濟效益的提升。

參考文獻

[1] 施曉紅，陳超中，李為軍，等.聚焦LED燈具和LED光源的基本概念[J].中國照明電器，2010（10）：33-36.

[2] 劉衛(wèi)國，宋穎，鄒俊林，等.LED燈模擬作物間作套種群體內(nèi)光環(huán)境的設(shè)計與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011（8）：288-292.

[3] 鄧欣，涂耘.高壓鈉燈與LED燈在公路隧道中的應(yīng)用對比分析[J].公路交通技術(shù)，2012（6）：114-119.