侯 綠， 陳 華， 周興林

(1． 華中光電技術(shù)研究所 武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430223；2. 武漢科技大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 湖北 武漢 430223)

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基于導(dǎo)熱塑料的新型LED燈散熱器設(shè)計(jì)與優(yōu)化

侯 綠1， 陳 華2*， 周興林2

(1． 華中光電技術(shù)研究所 武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430223；2. 武漢科技大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院， 湖北 武漢 430223)

以某中等功率LED燈具為例，設(shè)計(jì)了塑料散熱器的基本構(gòu)型。采用數(shù)值仿真的辦法對(duì)散熱器的性能進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)與優(yōu)化。結(jié)果表明，在同樣構(gòu)型下塑料散熱器散熱性能低于鋁合金散熱器；與傳統(tǒng)鋁合金散熱器不同，當(dāng)肋片高度達(dá)到30 mm后，塑料散熱器的散熱能力趨于穩(wěn)定；雖然導(dǎo)熱塑料的紅外發(fā)射率較高，仿真分析表明通過熱輻射散出的熱能只占總熱很小的一部分，所以塑料散熱器的設(shè)計(jì)應(yīng)以增加對(duì)流換熱面積為主，增加肋片與環(huán)境的視角系數(shù)是次要考慮因素。改進(jìn)優(yōu)化后的塑料散熱器達(dá)到了和鋁合金散熱器相近的散熱性能，總質(zhì)量較鋁合金散熱器減輕了30%，驗(yàn)證了塑料散熱器在降低產(chǎn)品重量方面的優(yōu)越性。

LED燈； 導(dǎo)熱塑料； 散熱器； 設(shè)計(jì)

1 引 言

LED燈具有節(jié)能環(huán)保、體積小、發(fā)光色溫友好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，被稱為人類照明史上第四代照明光源和最具有前景的新型固體光源[1]。與其他照明燈具不同，LED的壽命與芯片的溫度直接相關(guān)。溫升控制是LED燈具設(shè)計(jì)中首要考慮因素[2]。高功率LED燈通常需要采用風(fēng)扇主動(dòng)對(duì)流散熱、水冷散熱、熱管散熱或微泵散熱技術(shù)來降低芯片節(jié)溫溫升，輸入功率在瓦級(jí)的LED通常采用散熱器自然對(duì)流換熱的被動(dòng)散熱技術(shù)[3-8]。傳統(tǒng)的LED燈具散熱材料主要是鋁合金。鋁合金作為散熱器材料具有熱傳導(dǎo)率高、導(dǎo)熱性能好的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是制作工藝復(fù)雜、制作周期長(zhǎng)、造型受工藝限制和密度大。密度小、流動(dòng)性好的導(dǎo)熱塑料散熱器是新型散熱器的研究焦點(diǎn)。導(dǎo)熱塑料的使用主要受限于材料的導(dǎo)熱性能。帝斯曼開發(fā)了Stany1 TC高導(dǎo)熱絕緣塑料，并于2014年被歐司朗成功應(yīng)用到大型LED吸頂燈散熱片上。從國際發(fā)展趨勢(shì)來看，綠色環(huán)保的導(dǎo)熱塑料必將取代金屬成為L(zhǎng)ED燈散熱器的主要材料[9]?，F(xiàn)有導(dǎo)熱塑料的熱傳導(dǎo)系數(shù)在15～20 W/(m·℃)左右，導(dǎo)熱性能約為鋁合金材料的1/10。LED芯片的散熱主要通過基板、散熱器基體熱傳導(dǎo)作用，將熱量傳導(dǎo)到散熱器肋片上，靠肋片的對(duì)流和輻射作用將熱量散發(fā)出去。同樣的散熱器，采用導(dǎo)熱系數(shù)低的材料在傳熱路徑的熱阻更大，也更不利于散熱。受到傳統(tǒng)觀念限制，國內(nèi)鮮有LED塑料散熱器的研究[10]。導(dǎo)熱塑料作為一種新的散熱材料，具有重量輕、環(huán)保、制作工藝簡(jiǎn)單、能夠制作出復(fù)雜幾何形狀的優(yōu)點(diǎn)，必將成為未來低功率LED散熱器的發(fā)展趨勢(shì)，開展導(dǎo)熱塑料散熱器的設(shè)計(jì)方法研究也具有非常重要的意義。

本文針對(duì)中高功率LED燈具的導(dǎo)熱塑料散熱器的設(shè)計(jì)方法展開研究，詳細(xì)分析了LED芯片散熱路徑，設(shè)計(jì)了散熱器的基本構(gòu)型。通過對(duì)比分析散熱器的肋片高度和厚度對(duì)芯片溫度的影響，確定了最優(yōu)的肋片尺寸。在此基礎(chǔ)上對(duì)散熱器的構(gòu)型進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，分析了影響散熱器散熱能力的主要因素。設(shè)計(jì)過程和結(jié)果對(duì)相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值。

2 散熱器設(shè)計(jì)

2.1 理論分析

LED芯片發(fā)熱是由芯片的電光轉(zhuǎn)換效率決定的，約有70%～80%的電輸入功率被轉(zhuǎn)換成熱能。

圖1為采用COB封裝方式的LED的基本構(gòu)型以及其散熱路徑分析。

從圖1(b)可以看出，芯片的散熱路徑主要有：(1)通過接觸熱傳導(dǎo)將熱量導(dǎo)到散熱器上，通過散熱器的熱對(duì)流和熱輻射作用將熱量散出；(2)通過引腳線熱傳導(dǎo)，將熱量傳遞到散熱器上，然后通過散熱器將熱量散出；(3)通過熒光膠熱傳導(dǎo)將熱量傳出，以及通過熒光膠的熱輻射的透射。雖然銅引腳線的熱傳導(dǎo)系數(shù)很高，但由于引腳線較長(zhǎng)而截面積小，可以散出的熱量較少。同樣，熒光膠的熱傳導(dǎo)系數(shù)較低，通過熒光膠的散熱量也較少。因此，在LED散熱器設(shè)計(jì)時(shí)，基本上忽略這兩個(gè)途徑的散熱量，只考慮通過散熱器的散熱。

圖1 LED構(gòu)型(a)及散熱路徑分析(b)
Fig.1 Configuration of LED(a) and its heat transfer pathes(b)

從LED芯片至散熱器的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示。

圖2 LED芯片至散熱器的熱阻網(wǎng)絡(luò)

Fig.2 Thermal resistance network of the chip to the heat sink

芯片至散熱器路徑上的熱阻為串聯(lián)模式，即R=R1+R2+R3+R4+R5。將芯片考慮為一個(gè)結(jié)點(diǎn),則芯片的溫升為△T=Q·R。降低芯片溫升，就需要減小熱阻。

(1)接觸熱阻。通常LED芯片與絕緣層之間通過摻銀粉的導(dǎo)熱膠連接，導(dǎo)熱膠熱傳導(dǎo)系數(shù)λ為5 W/(m·℃)，厚度L為0.02 mm，芯片面積A為2 mm×2 mm，引入的熱阻為R1=L/(A·λ)=1 ℃/W。同樣，R3=1 ℃/W。

(2)絕緣層熱阻。通常絕緣層熱傳導(dǎo)系數(shù)λ為42 W/(m·℃)，厚度L為0.1 mm，面積A為2 mm×2 mm，引入的熱阻為R2=L/(A·λ)=0.6 ℃/W。

(3)散熱器基板熱阻。導(dǎo)熱塑料熱傳導(dǎo)系數(shù)λ為15 W/(m·℃)，為保持足夠的機(jī)械強(qiáng)度，基板厚度不宜過薄，因此設(shè)計(jì)L為3 mm，面積A為2 mm×2 mm，引入的熱阻為R2=L/(A·λ)=50 ℃/W。

(4)肋片散熱熱阻。肋片散熱熱阻包括肋片的導(dǎo)熱熱阻和對(duì)流換熱熱阻，二者既有串聯(lián)關(guān)系又有并聯(lián)關(guān)系，計(jì)算起來較為復(fù)雜且難以準(zhǔn)確，因此通常采用數(shù)值仿真計(jì)算方法進(jìn)行性能驗(yàn)證。

2.2 散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真模擬

從上述分析可以看出，降低芯片溫升的關(guān)鍵是減小散熱路徑上的熱阻。相對(duì)于鋁合金散熱器，導(dǎo)熱塑料的熱傳導(dǎo)系數(shù)較低，由散熱器基板引入的熱阻很大，同樣條件下引起的溫升約為金屬散熱器的10倍，成為制約塑料散熱器應(yīng)用的關(guān)鍵。

采用絕緣的導(dǎo)熱塑料散熱器，LED芯片可以直接通過導(dǎo)熱膠粘貼在散熱器上，將接觸熱阻環(huán)節(jié)減少為一個(gè)，同時(shí)去除了絕緣層所引入的熱阻。

我們針對(duì)某款總功率為22 W的LED燈具的散熱器展開設(shè)計(jì)。散熱器上均布有22個(gè)燈珠，每個(gè)燈珠輸入電功率為1 W，光電效率為30%，即熱功耗為0.7 W。環(huán)境溫度為30 ℃。所設(shè)計(jì)的散熱器基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。散熱器總長(zhǎng)290 mm，寬40 mm，設(shè)計(jì)了25片散熱肋片，肋片厚度為0.8 mm，高80 mm。

采用數(shù)值仿真的方法分別分析了散熱器采用鋁合金和導(dǎo)熱塑料時(shí)相同輸入熱功率下的芯片溫度。其中鋁合金為6063T5，其熱傳導(dǎo)系數(shù)為201 W/(m·℃)，密度為2.69 g/cm3； 導(dǎo)熱塑料熱傳導(dǎo)系數(shù)為18 W/(m·℃)，密度為1.42 g/cm3。仿真分析結(jié)果如圖4所示。

圖3 LED散熱器基本構(gòu)型

圖4 同樣構(gòu)型下不同材質(zhì)的散熱器散熱性能分析。(a) 鋁合金散熱器；(b)塑料散熱器。

Fig.4 Heat dissipation performance analysis of different material radiators with the same configuration. (a)Al radiator. (b)Plastic radiator.

分析結(jié)果表明，同樣構(gòu)型下，采用鋁合金散熱器的LED芯片最高溫度為45.16 ℃，采用導(dǎo)熱塑料散熱器的LED芯片的最高溫度為58.12 ℃，需要改進(jìn)塑料散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)才能使其達(dá)到和鋁合金散熱器接近的散熱效果。

2.3 塑料散熱器肋片尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

肋片與空氣接觸面積越大越利于散熱，這就意味著在相同數(shù)量的肋片下，肋片的高度越高越好。另外，肋片的厚度越大，導(dǎo)熱熱阻越小，因此肋片越厚越好。在設(shè)計(jì)中需要優(yōu)化肋片的高度和厚度。我們采用數(shù)值仿真辦法分別分析了芯片最高溫度隨肋片高度和厚度的變化規(guī)律，如圖5所示。

圖5 芯片溫度與肋片高度(a)和厚度(b)的關(guān)系

Fig.5 Chip temperaturevs. height(a)and thickness(b)of the fins

從圖5可以看出，與鋁合金散熱器不同，塑料散熱器的翅片高度達(dá)到30 mm后，繼續(xù)增加高度對(duì)芯片的散熱貢獻(xiàn)就很小了。隨著肋片厚度的增加，芯片的溫度逐漸降低。為使散熱器以最小的質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)的散熱效果，我們選擇肋片高度為30 mm、厚度為1.5 mm。

2.4 塑料散熱器整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析

2.4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與散熱分析

相對(duì)于金屬材料，導(dǎo)熱塑料有良好的熱輻射性能。表面鍍鋅的鋁合金表面發(fā)射率約為0.5，而導(dǎo)熱塑料的表面發(fā)射率約為0.9，因此在肋片設(shè)計(jì)時(shí)要利用好肋片的輻射換熱性能。

傳統(tǒng)的直肋設(shè)計(jì)非常不利于肋片與環(huán)境之間的輻射換熱。平行直肋之間的視角系數(shù)為1，輻射換熱發(fā)生在肋片之間，而肋片間溫差很小，輻射換熱量約等于0。為此，我們對(duì)散熱器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，設(shè)計(jì)了有利于肋片與環(huán)境間輻射散熱的異形斜肋結(jié)構(gòu)，并在肋片上增加了翅片以增大換熱面積。改進(jìn)的肋片設(shè)計(jì)及仿真分析結(jié)果如圖6所示。

改進(jìn)后的散熱器通過斜肋設(shè)計(jì)不僅增加了肋片與空氣的接觸面積，而且增強(qiáng)了肋片與環(huán)境空間的輻射換熱能力。仿真分析結(jié)果表明，芯片最高溫度為46.02 ℃，散熱效果較直肋時(shí)有了較大改善，接近鋁合金散熱器。

圖6 改進(jìn)的塑料散熱器構(gòu)型(a)及散熱效果分析(b)

Fig.6 Refined configuration of the plastic radiator(a) and its thermal dissipation capacity analysis(b)

2.4.2 輻射換熱影響分析

為了考察散熱器通過熱輻射散出的熱量在總熱量中所占的比例，我們分析了不含熱輻射時(shí)的芯片溫升。分析結(jié)果如圖7所示，芯片最高溫度為46.59 ℃，較全輻射時(shí)的溫度升高了0.57 ℃。這表明散熱器表面熱輻射的貢獻(xiàn)并不大，對(duì)塑料散熱器的設(shè)計(jì)應(yīng)該從增加與空氣的接觸面積入手，而非增大視角系數(shù)。

圖7 不考慮熱輻射時(shí)芯片散熱效果分析

Fig.7 Analysis of thermal dissipation effect without considering thermal radiation

最后，通過軟件分別測(cè)量得到鋁合金散熱器質(zhì)量為0.353 kg，優(yōu)化后的塑料散熱器質(zhì)量為0.247 kg，減重30%。這表明在達(dá)到同樣散熱效果的前提下，塑料散熱器的重量更輕，更有利于產(chǎn)品減重?？紤]到導(dǎo)熱塑料的良好流動(dòng)性能，其用于加工制造散熱器更簡(jiǎn)便，加工周期也更短，所以，如果掌握了塑料散熱器的散熱特性和設(shè)計(jì)方法，塑料散熱器必將成為中低功率LED燈具散熱器的主流。

3 結(jié) 論

通過理論分析與數(shù)值仿真驗(yàn)證，對(duì)LED新型塑料散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和散熱性能進(jìn)行了分析。分析表明，在同樣構(gòu)型、同樣輸入功率下，導(dǎo)熱塑料散熱器的散熱性能劣于鋁合金散熱器。分析了LED芯片溫度隨塑料散熱器肋片高度和厚度的變換，結(jié)果表明，與鋁合金散熱器不同，由于導(dǎo)熱塑料的熱傳導(dǎo)系數(shù)相對(duì)較低，導(dǎo)熱塑料散熱器在肋片高度超過30 mm后對(duì)芯片溫度的影響就不明顯了，因此塑料散熱器應(yīng)采用較小的肋片高度，在肋片上增加翅片以增大換熱面積。對(duì)塑料散熱器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)，仿真分析結(jié)果表明，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)獲得了和鋁合金散熱器相近的散熱性能，而質(zhì)量較鋁合金散熱器減輕了30%，驗(yàn)證了塑料散熱器的在降低產(chǎn)品重量方面的優(yōu)越性。仿真分析得出，塑料散熱器在不包含熱輻射換熱條件下的芯片溫度較包含熱輻射時(shí)的芯片溫度升高了0.57 ℃，表明散熱器表面熱輻射的貢獻(xiàn)并不大，對(duì)塑料散熱器的設(shè)計(jì)應(yīng)該從增加與空氣的接觸面積入手，而非增大肋片與環(huán)境的視角系數(shù)。本文的研究過程和結(jié)果對(duì)于LED燈具塑料散熱器的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義和指導(dǎo)價(jià)值。

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侯綠(1965-)，男，湖北潛江人，2004年于華中科技大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事光學(xué)儀器與檢測(cè)技術(shù)的研究。

E-mail: houl1965@sina.com

陳華(1983-)，女，湖北十堰人，博士， 2011年于中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事LED車前照燈散熱和道路檢測(cè)技術(shù)的研究。

E-mail: chenhua..tyb@126.com

Design and Optimization of A New Type LED Lamp Radiator Based on Thermal Conductive Plastics

HOU LYU1, CHEN Hua2*, ZHOU Xing-lin2

(1.WuhanNationalLaboratoryforOptoelectronics,HuazhongInstituteofElectro-Optics,Wuhan430223,China; 2.SchoolofAutomobileandTrafficEngineering,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430223,China)*CorrespondingAuthor,E-mail:chenhua..tyb@126.com

Taking a medium power LED lamp as an example, the basic configuration of the plastic radiator was designed. The performance of the radiator was analyzed by numerical simulation, and the structure was improved and optimized according to the analytical results. The results show that the thermal dissipating capacity of the Al alloy radiator is better than the plastic radiator when they have the same configuration. Different from the traditional aluminum alloy radiator, the heat dissipating capacity of the radiator plastic tends to be stable when the fins are higher than 30 mm. Although the infrared emission rate of the conductive plastic is as high as 0.9, the thermal energy dissipated through thermal radiation is very small, which means the plastic radiator design should be prior to increasing the convective heat exchange area. The thermal dissipation capacity of the optimized plastic radiator is quite close to that of the Al alloy radiator, and its weight is reduced 30% of the aluminum alloy radiator, which verifies the superiority of the plastic radiator product.

LED lamp; thermal conductive plastics; thermal radiator; design

1000-7032(2016)09-1103-06

2016-04-27；

2016-06-29

湖北省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(2015CFB220)； 湖北省科技支撐計(jì)劃(2014BEC055)； 湖北省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(2015CFA064)； 國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51578430)； 武漢科技大學(xué)青年科技骨干培育計(jì)劃資助項(xiàng)目

TN312.8

A

10.3788/fgxb20163709.1103