劉彬彬

法雷奧市光(中國)車燈有限公司佛山分公司，廣東 佛山 528000

0 引言

隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展，LED照明產(chǎn)品受到了越來越多的關(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、光效度高、無輻射、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)品在使用過程中容易出現(xiàn)溫度過高的情況，尤其是一些大功率LED照明產(chǎn)品的發(fā)熱問題嚴(yán)重。LED屬于高溫敏感元件，如果其發(fā)熱量很大、溫度過高，會直接影響LED的光照效果、光色溫度等，甚至?xí)ED照明產(chǎn)品的正常使用產(chǎn)生嚴(yán)重影響。對此，研究人員必須加強(qiáng)對LED照明產(chǎn)品散熱問題的研究[1]。

1 高溫對LED照明產(chǎn)品性能的影響

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LED照明產(chǎn)品性能的影響[2]。

1.1 高溫使LED產(chǎn)生永久損害

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)會向膠態(tài)轉(zhuǎn)化，并且熱膨脹系數(shù)會驟升，進(jìn)而造成LED的開路與損壞。

1.2 高溫會縮短LED的壽命

各個(gè)品牌的LED的光衰特性不同，LED生產(chǎn)商一般會提供標(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。高溫會造成LED光衰，縮短LED的壽命。

（1）LED芯片內(nèi)存在的缺陷在較高的環(huán)境溫度下會迅速擴(kuò)大，直至侵入發(fā)光區(qū)域，從而產(chǎn)生大量的非輻射復(fù)合中心，極大地影響LED的發(fā)光效率。在高熱環(huán)境下，材質(zhì)內(nèi)的微缺陷和來自界面與電板之間的快擴(kuò)雜質(zhì)也會引入發(fā)光區(qū)域，形成大量的深能級，從而加速LED器件的光衰。

（2）在高熱時(shí)透明導(dǎo)電環(huán)氧樹脂材料會變性、發(fā)黃，從而嚴(yán)重破壞其透光性能，溫度越高，這個(gè)過程進(jìn)行得越快，這也是高溫加速LED光衰的又一主要原因。

（3）熒光粉的光衰也是影響LED光衰的一個(gè)主要因素，熒光粉在高溫下的衰減非常強(qiáng)烈[4]。

1.3 高溫會影響LED的發(fā)光效果

LED構(gòu)成材料的某些參數(shù)會隨著環(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程是可逆的。在環(huán)境溫度返回初始溫度時(shí)，光通量會有一次恢復(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[5]。

高溫影響LED發(fā)光效果的具體原因如下。

（1）隨著環(huán)境溫度的增加，LED照明產(chǎn)品中電子和空穴的濃度會增加，但由于禁帶寬度的減少，電子遷移率將下降。

（2）隨著環(huán)境溫度的增加，勢阱中的電子和空穴中的輻射發(fā)生復(fù)合的概率會大幅度降低，形成非輻射復(fù)合，從而降低LED的內(nèi)量子效率。

（3）環(huán)境溫度上升會使LED的藍(lán)光波峰向長波方向移位，導(dǎo)致LED的發(fā)射波長與熒光粉的激發(fā)波長不匹配，從而導(dǎo)致LED對外部光的提取效率降低。

（4）隨著環(huán)境溫度的提高，熒光粉量子效率下降，出光減少。

（5）硅膠的性能受溫度影響很大，隨著工作溫度的增加，硅膠內(nèi)部的熱應(yīng)力增大，硅膠的折射率降低，進(jìn)而直接影響LED的光效。

2 LED照明產(chǎn)品存在的散熱問題

LED照明產(chǎn)品普遍存在散熱問題。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，難以通過對流和輻照散熱，因此積累了大量的熱量[6]。

2.1 熱膨脹導(dǎo)致零部件彎曲和龜裂

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。

2.2 電子電路的運(yùn)行障礙

如果導(dǎo)體元器件的工作溫度升高，電源的阻抗會減小，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[7]。

2.3 高溫導(dǎo)致材料品質(zhì)降低

一般來說，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。高溫氧化會縮短LED照明產(chǎn)品的壽命。

3 LED照明產(chǎn)品散熱性能的影響因素

3.1 風(fēng)向?qū)ED照明產(chǎn)品散熱性能的影響

針對風(fēng)向?qū)ED照明產(chǎn)品散熱的影響，研究人員進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。一般來說，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)速最大不會超過1.50 m/s。在實(shí)驗(yàn)過程中，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。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在LED照明產(chǎn)品的散熱過程中，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)向與自然的空氣對流方向相反，使LED照明產(chǎn)品的最高溫度發(fā)生變化。

3.2 風(fēng)速對LED照明產(chǎn)品散熱性能的影響

為了了解風(fēng)速對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，LED照明產(chǎn)品的溫度會逐漸下降。

4 LED照明產(chǎn)品的散熱優(yōu)化對策

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)必須遵循以被動式散熱片為主、主動式散熱片為輔的設(shè)計(jì)原則，并盡量減少或不用主動散熱方式[8]。

4.1 合理選用散熱片

在封裝LED時(shí)，不會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題。對此，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。

4.1.1 鰭片的選擇

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、長橢圓形和錐臺狀等形態(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)熱功效會減弱。因此，需要選用恰當(dāng)?shù)啮捚蜔峁芘浜鲜褂?。例如，作為非常典型的LED照明裝置，在LED路燈的使用過程中會采用熱管加鰭片、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。

4.1.2 材質(zhì)的選擇

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，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。

4.1.3 散熱片管的選擇

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。水蒸氣會在水壓的帶動下向冷卻端活動，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，再通過毛細(xì)力到達(dá)蒸騰受熱端，完成一個(gè)循環(huán)。

對于一些耗能大、對散熱片要求較高的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)，會通過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^程中不會損失熱量。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，并通過熱傳導(dǎo)效應(yīng)，逐步傳遞到金屬材料分散片。通過分散片和周邊冷卻空氣的自然熱力傳播過程，熱能可以從金屬材料分散片上被分散出去。

4.2 合理設(shè)計(jì)散熱器

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，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)部會積聚大量熱量。對此，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。

4.3 依據(jù)實(shí)際情況選擇封裝工藝

LED產(chǎn)生的內(nèi)部熱量可以通過黏結(jié)層傳輸給金屬電路板，再從電路板經(jīng)過黏結(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。

4.4 選擇合適的鍵合材料

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)。一般來說，LED照明產(chǎn)品會使用粘連材料，粘連材料會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，簡化其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高LED照明產(chǎn)品的散熱能力。

5 結(jié)束語

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LED照明產(chǎn)品散熱的影響。