龔 美，陳益民

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州 510006）

0 引言

LED燈是一種高效高節(jié)能、綠色環(huán)保的電子器件。LED燈具已被廣泛應(yīng)用于家庭照明、交通信號燈、電視屏幕、汽車車燈等。在照明市場占據(jù)著越來越重要的地位。但是，隨著單顆燈珠功率增加以及封裝密度增加，經(jīng)過長時間的工作后，面臨著LED結(jié)溫?zé)岱e聚的問題，結(jié)溫升高將導(dǎo)致燈具工作不穩(wěn)定，出光效率降低以及照明壽命減小等問題。研究發(fā)現(xiàn)，大約七成的LED燈具失效由于結(jié)溫過高導(dǎo)致，當(dāng)結(jié)溫大于一定值時，燈具的失效率將呈指數(shù)規(guī)律上升，結(jié)溫每上升2℃，燈具的可靠性就下降10%[1]。因此，使用高導(dǎo)熱材料將LED結(jié)溫處的溫度導(dǎo)出來顯得尤為重要。

LED燈具的散熱方式分為兩大類：主動式散熱和被動式散熱。常見的主動式散熱有：風(fēng)冷散熱，液冷散熱，壓縮機(jī)制冷散熱，電子制冷散熱。被動式散熱主要的兩種方式是肋片散熱和熱管散熱。被動式散熱是目前LED燈具采用最廣泛的一種散熱方式，LED燈封裝結(jié)構(gòu)里包含有燈珠、散熱墊、熱沉、散熱器以及導(dǎo)熱硅膠墊。由于這些封裝材料的導(dǎo)熱系數(shù)低，熱阻大，導(dǎo)致散熱成為一大瓶頸。優(yōu)異的高導(dǎo)熱材料是解決電子器件和設(shè)備散熱的關(guān)鍵。自從2004年英國曼切斯特大學(xué)采用剝離法制得石墨烯材料后，石墨烯材料的強(qiáng)大散熱性能得到廣泛重視，石墨烯開始應(yīng)用于電子器件的散熱。當(dāng)石墨膜嵌入石墨烯時可使石墨散熱膜材料具有高達(dá)近2 200 W/(m·K)[2]以上的導(dǎo)熱系數(shù)。目前的很多手機(jī)的散熱片都是用石墨材料制成[3]，像華為石墨烯基鋰離子電池里面的“石墨烯”用于提升鋰離子電池散熱效果。石墨烯改善散熱的主要是因為它在平面內(nèi)極高的導(dǎo)熱率從而將熱源處的溫度能快速導(dǎo)出和石墨表面增強(qiáng)紅外線輻射散熱效果。研究石墨烯優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，將石墨烯與鋁散熱器基底進(jìn)行結(jié)合進(jìn)行熱仿真分析，研究了石墨烯對于降低LED結(jié)溫的效果。

1 改進(jìn)的LED散熱器結(jié)構(gòu)

常見的散熱器有擠壓的型材散熱器、焊接散熱器、叉翅散熱器、針狀散熱器四類。其中擠壓的型材散熱器在LED散熱占據(jù)很大的市場。燈芯產(chǎn)生的熱量借助于散熱器以及空氣自然對流擴(kuò)散到空氣中，具有結(jié)構(gòu)簡單、輸入功率低、成本低以及壽命長等優(yōu)點(diǎn)。不足點(diǎn)是鋁散熱器的導(dǎo)熱率比較低，只有270 W/(m·K)。銅散熱器的導(dǎo)熱系數(shù)雖高，但由于密度大導(dǎo)致過重，石墨散熱器和陶瓷散熱器的散熱效果很好，但由于價格昂貴一直沒有得到推廣。本文綜合石墨材料的高導(dǎo)熱率，將其與鋁散熱器的基底相結(jié)合。采用熱分析軟件ANSYS ICEPAK對其進(jìn)行熱仿真分析。

1.1 石墨烯導(dǎo)熱機(jī)理

圖1為石墨晶體的結(jié)構(gòu)，每個碳原子都是以sp2雜化軌道與旁邊的其他三個碳原子形成化學(xué)共價單鍵，構(gòu)成一個網(wǎng)狀的六元環(huán)結(jié)構(gòu)，單層石墨烯就是結(jié)構(gòu)就是由這些六元環(huán)結(jié)構(gòu)連接而。在單層石墨烯結(jié)構(gòu)中每個碳原子會剩余一個未被sp2雜化的p軌道，其中有一個p電子沒有配對，在單層石墨烯中，碳原子中的m電子組合成一個具有m中心m電子的大∏鍵，這些離域電子能夠在碳原子平面層中自由活動，因此石墨烯在層向具有良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性質(zhì)性能，石墨單晶的平面導(dǎo)熱系數(shù)可達(dá)2 200 W/(m·K)。另外，石墨還具有良好的機(jī)械性能、密度小、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)。因此，石墨烯的高導(dǎo)熱潛能將極大改善電子器件散熱問題[4]。

石墨烯是由碳原子結(jié)合成納米薄膜，是一種層狀結(jié)構(gòu)化合物。具有金屬材料的特性，導(dǎo)電導(dǎo)熱性能都很好。其中導(dǎo)熱性能主要是由晶格震動引起。作為優(yōu)良的傳熱材料，源于石墨烯獨(dú)特的碳原子分子結(jié)構(gòu)使材料在平面的二維方向具有很強(qiáng)的導(dǎo)熱性，石墨烯的片層結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)各類材料表面。石墨烯通過特殊的聲子模式實(shí)現(xiàn)熱傳輸，石墨烯有六種極性聲子。其中參與熱量傳播的主要是3種聲學(xué)聲子，即低頻的縱向聲學(xué)聲子（LA模聲子）、高頻的橫向聲學(xué)聲子（TA模聲子）、平面外聲學(xué)聲子（ZA模聲子），前兩個是面內(nèi)傳輸模式，有著線性的散射關(guān)系，后者是面外傳輸模式，存在非線性的二次散射關(guān)系[4]。聲子的散熱關(guān)系以及傳輸方式對石墨烯的熱導(dǎo)率有很大影響，熱導(dǎo)率主要由聲子的頻率、自由程、作用過程等因素決定。石墨烯的熱傳遞過程中，為聲子從高濃度熱端向低濃度冷端的擴(kuò)散過程。對于單層大尺寸石墨烯，導(dǎo)熱系數(shù)可由下式（1）：

式（1）中：C為單位體積的熱容，V為聲子傳播速度，L為聲子的平均自由程[5]。理想的單層石墨烯厚度可達(dá)0.35μm，圖2是單層石墨烯結(jié)構(gòu)圖。

圖1 石墨晶格結(jié)構(gòu)

圖2 單層石墨烯結(jié)構(gòu)

1.2 新型LED燈散熱結(jié)構(gòu)

圖3 為新型LED燈散熱結(jié)構(gòu)的示意圖，從上往下依次為：LED燈，散熱墊、銅板、導(dǎo)熱硅膠、石墨烯導(dǎo)熱介質(zhì)、鋁散熱器。燈源為單顆5 W大功率燈珠，有效發(fā)光效率為20%，發(fā)熱功率為4 W，環(huán)境溫度為25℃，散熱器采用鋁擠壓型材料，長寬均度為6 cm，散熱器基底厚度為2 mm，散熱翅片高度為10 mm，厚度為0.8 mm，共24片肋片；石墨烯導(dǎo)熱介質(zhì)平鋪并緊貼在散熱器基底的上表面，在這里忽略了石墨烯和散熱器之間的接觸熱阻，水平導(dǎo)熱系數(shù)為2 200 W/(m·K)，垂直導(dǎo)熱系數(shù)為25 W/(m·K)[6]。其中LED的基本傳熱路徑為：LED燈芯—散熱墊-銅板-石墨烯-散熱器-空氣。石墨烯具備優(yōu)良的導(dǎo)熱性能，可將LED結(jié)溫快速均勻地傳導(dǎo)到散熱器表面，經(jīng)過散熱器與空氣對流方式傳遞到空氣中。

圖3 新型單顆LED燈結(jié)構(gòu)

為了滿足大功率LED的光照要求，比如路燈、車燈、背光屏等都是采用多顆LED模型。因此，為了充分研究石墨烯對LED燈散熱的效果以及燈之間的相互影響。在單顆LED燈結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加燈珠個數(shù)、增大PCB板、散熱器尺寸以及散熱片數(shù)目，LED燈均勻排成陣列式，由四顆相同的LED燈均勻分布在PCB板上，其他的條件設(shè)置與單顆燈珠模型一致。模型如圖4所示。

圖4 四顆陣列式LED燈結(jié)構(gòu)

2 散熱仿真結(jié)果及分析

為了便于分析比較，設(shè)置多組石墨烯厚度值。比較不同厚度石墨烯對降低結(jié)溫的效果，并由此得出最佳的石墨烯厚度。采用熱分析軟件ANSYS ICEPAK進(jìn)行仿真分析。在ICEPAK15.0版本中建立LED散熱仿真模型，主要由LED燈、導(dǎo)熱介質(zhì)和散熱器組成?？紤]到LED內(nèi)部熱阻是一穩(wěn)定值，因此，把模型中每個LED看成一個熱源，忽略LED每部結(jié)構(gòu)，將每個LED燈設(shè)置為溫度監(jiān)控點(diǎn)。采用自然對流模式，空氣的自然對流系數(shù)取平均值7.5 W/(m·K)[7]。室溫設(shè)置為25℃，石墨烯水平導(dǎo)熱系數(shù)2 200 W/(m K)，垂直導(dǎo)熱系數(shù)為20 W/(m·K)，硅膠導(dǎo)熱墊水平導(dǎo)熱系數(shù)和垂直導(dǎo)熱系數(shù)均為4 W/(m·K)。

2.1 單顆燈珠的熱學(xué)仿真

圖5顯示的是單顆LED燈珠在無石墨烯時的模型仿真結(jié)果，可以得出結(jié)溫是103.321℃。圖6是在石墨烯厚度為300μm的仿真結(jié)果圖。通過設(shè)置不同石墨烯厚度進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖8所示，其中橫坐標(biāo)為石墨烯厚度，縱坐標(biāo)為溫度。

圖5 無石墨烯LED仿真結(jié)果

圖6 石墨烯500μm時LED仿真結(jié)果

2.2 多顆燈珠的熱學(xué)仿真

同理，可以得出陣列式LED的仿真結(jié)果圖。圖8顯示的是4顆LED燈珠在無石墨烯時的模型仿真結(jié)果，可以得出結(jié)溫是109.557℃。圖9是在石墨烯厚度為300μm的仿真結(jié)果圖。通過設(shè)置石墨烯不同厚度下的仿真，結(jié)果如圖10所示，其中橫坐標(biāo)為石墨烯厚度，縱坐標(biāo)為溫度。

圖7 不同石墨烯厚度的結(jié)溫值

圖8 無石墨烯LED仿真結(jié)果

圖9 石墨烯300μm時LED仿真結(jié)果

圖10 不同厚度石墨烯下的結(jié)溫值

2.3 仿真結(jié)果分析

從仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)可知，不管是單顆燈珠還是多顆燈珠模型，石墨烯對LED散熱優(yōu)化效果都比較理想，總體可以降低15℃～20℃左右，從圖3可得出，當(dāng)石墨烯的厚度200μm～300μm之間時，結(jié)溫下降最多，可以達(dá)到18℃。其他的厚度可使溫度下降15℃。這是因為石墨烯過薄時，對于小模型的LED燈發(fā)出的熱量存儲熱量有限，LED產(chǎn)熱速度大于散熱速度，石墨烯來不及將熱量傳導(dǎo)至散熱器；隨著石墨烯厚度增加時，石墨烯的總體熱容量隨之增加，使溫度有所下降；當(dāng)石墨烯厚度繼續(xù)增加，會導(dǎo)致熱阻增加，阻礙熱量的傳遞。從圖10可知石墨烯厚度對降低結(jié)溫的效果差異很小，因為此時石墨烯的面積足夠大，可以足夠存儲LED燈傳導(dǎo)出來的熱量。

當(dāng)忽略了石墨烯與散熱器之間粘接熱阻的情況下，在使用石墨烯材料加強(qiáng)散熱后，通過對單顆燈珠和多顆燈珠的仿真分析，可初步得出：石墨烯對降低LED結(jié)溫效果明顯，很有發(fā)展?jié)撃?。石墨烯散熱的效果和石墨烯的厚度之間關(guān)聯(lián)性較小。在考慮經(jīng)濟(jì)性的原則下，當(dāng)制造石墨烯納米材料工藝足夠成熟時，只需在散熱器基底鍍上納米厚度的石墨烯便可以改善散熱效果。實(shí)驗還對相同面積不同石墨烯形狀進(jìn)行了溫度比對，發(fā)現(xiàn)形狀的改變對散熱效果的影響不大，圓形石墨烯比矩形石墨烯散熱效果稍微好點(diǎn)。

3 結(jié)論

本文從石墨烯材料的散熱原理出發(fā)，將石墨烯與鋁散熱器基板上表面結(jié)合，通過熱仿真分析方法對兩種LED燈具模型進(jìn)行熱仿真分析。通過分析仿真結(jié)果可得出：在散熱器基底上表面增加石墨烯材料后，由于石墨烯材料在平面二維方向上的的超高導(dǎo)熱率，能大力改善鋁散熱器結(jié)構(gòu)的散熱效果，相比沒有使用石墨烯的LED燈模型，使用石墨烯材料可使LED結(jié)溫降低15℃以上。在納米厚度級別下，不同厚度石墨烯的散熱效果相差不大，因此，在考慮經(jīng)濟(jì)的前提下，只需在散熱器基底鍍上一層很薄的石墨烯即可改善散熱效果,這將為LED散熱在石墨烯材料的實(shí)際應(yīng)用中，要想充分發(fā)揮石墨烯的高熱導(dǎo)率對LED結(jié)溫的改善作用必須進(jìn)一步研究石墨烯材料與金屬材料的結(jié)合形式。

［1］ Yang Chu， Jin Shangzhong， Shao Maofeng， et al.Reasearch LED performance of glass substrate with COB packaging ［J］. laser&Optoelectronics Progress，2015，529（01）：012304.

［2］ He Fan，Chen Qiyong，Liu Juanfang，et al.Therm-al analysis of high mast integrated LED Lamp with new heat?sink structure of laminated pure aluminum plate［J］.Chinese Journal of lumines-Cence， 2014， 35 （6）：743-747.

［3］史文學(xué)，張雙喜，陶冶，等.幾種類型散熱器高度對散熱量影響的試驗研究［J］.建筑節(jié)能，2013，12（41）：12-25.

［4］楊光.道路照明中大功率LED路燈散熱方案的研究［J］.照明工程學(xué)報，2010，21（1）：40-47.

［5］ Liu Sheng，Chen Qinghua，Cai Weiwei，et al.Thermal studies of high-power with cold spray technology［J］.Mater Revres，2012，26（6）：158.

［6］Zhang Yin，Shi Fenghua，Xu Wenfei，et al.High-Pow?er white LED packaging technology ［J］.Illuminating Eng J，2012，23（3）：52.

［7］郭凌曦，左敦穩(wěn)，孫玉利，等.LED散熱技術(shù)及其研究進(jìn)展［J］.照明工程學(xué)報，2013，24（4）：64-70.