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LED灯具散热技术分析
随着半导体产业的发展，做为21世纪最具发展前景的新型绿色光源，LED照明逐渐渗透到各行各业中。
LED照明与传统照明技术有着较大的差别，目前LED光效不到30%，热管理技术成为LED照明的关键技术之一。
本文利用计算机仿真软件FloEFD，针对商用LED照明灯具的散热器材料、有效散热面积、金属基板、封装填充材料、对流条件、辐射等因素进行说明，着重分析了散热器材料、金属基板及辐射，通过定量比较，旨在说明LED照明灯具系统设计时应注意的问题，帮助工程师设计出更好的产品。
一、引言
随着氮化镓基第三代半导体的兴起，蓝色和白色发光二极管（LED）的研究成功，半导体照明带来了人类照明史上的又一次飞跃。
与白炽灯和荧光灯相比，LED以其体积小、全固态、长寿命、环保、省电等一系列优点，成为新一代环保型照明光源的主要发展方向之一，也是21世纪最具发展前景的高技术领域之一。
各国政府高度重视，纷纷出台国家计划，投入巨资加以发展。
LED从诞生开始，一直伴随着热量管理的问题。
它的发光机理是靠PN结中的电子在能带间的跃迁产生光能，当它在外加电场作用下，电子与空穴的辐射复合发生电致作用将一部分能量转化为光能，而无辐射复合产生的晶格震荡将其余的能量转化为热能。
由于光谱中不含红外成分，产生的热量不能靠辐射散发，只能通过散热器传导到空气中。
照明灯具多采用大功率LED。
目前，商用大功率LED的光效仅15%~30%，其余大多数能量转化为热能。
如果热能不能有效的排出，将会导致很严重的后果。
高温会降低LED的光通量及其发光效率、引起光波红移、偏色，同时还会引起器件老化等不良现象，最重要的是会使LED寿命呈指数性缩减，资料显示，温度每升高10℃，寿命约减少一半。
因此，LED热管理十分重要。
热传递的三种基本方式为：
传导、对流和辐射，热管理也从这三方面入手，分为瞬态分析和稳态分析。
散热器的主要传递途径为传导和对流散热，自然对流下的辐射散热也是不容忽视的。
对于连续介质，设某一时刻
，物体内所有各点在直角坐标系中的温度场为
，导热的微分方程可表达如下：
式中
为密度，单位kg/m³;
为比热容，单位J/（kg.K）;
为热导率（也称导热系数），单位为W/（m.K）;
为内热源强度，单位W/m³。
对于连续介质，二维对流换热的能量微分方程如下：
式中
为比定压热容，对于固体和不可压缩流体，
;分别为x,y方向的速度。
自然界中的一切物体,只要温度在绝对温度零度以上,都以电磁波的形式时刻不停地向外传送热量,这种传送能量的方式称为辐射。
辐射散热的斯蒂芬-波尔兹曼方程如下：
式中，
为热流率，
为辐射率（黑度），
为波尔兹曼常数，
为辐射面1的面积，
为由面1到面2的形状系数，
分别为面1和面2的绝对温度。
二、分析模型及仿真软件
FloEFD为NIKA的旗舰产品，主要用于汽车、航空航天、机械、船舶、电子通讯、医疗器械、能源化工、暖通、流体控制设备、LED半导体行业等。
软体可进行各种LED封装产品、航空航天灯、各种节能灯、LED发光管、车用灯具、显示屏等的热分析，其全球使用客户包括GELighting、PhilipsLighting、LumiLED、Hella、OSRAM等。
2006年，NIKA为FLOMERICS公司收购，现该公司已成为OSRAM公司LEDLightForYou（LLFY）项目散热模拟分析与热测试方面全球唯一合作伙伴。
工程上，由于影响热交换的因素很多，热管理不需要十分精确，仿真精度在±3℃范围已足够。
为了说明各因素如何影响灯具系统散热性能，下文将以MR16照明灯具（以下简称MR16）进行散热分析。
MR16照明灯具配置三颗CreeXR-E光源，额定电压9.6V，额定电流350mA。
灯体选用6063T5材料，散热方式为自然对流，灯座内安装恒流驱动源，为了减少驱动源发热的影响，参考点取杯口上缘。
样品的铝基板热阻约1℃/W，在室温26℃时的自然对流环境下，灯具温度测试结果如表1所示。
图1MR16外形及其温度测试点
表1MR16杯灯外壳温度测试
输入功率（W）
室温（℃）
测试值1
测试值2
2.66
26
58.3
59.1
三、影响因素分析
1.散热器材料
散热器材料的选择主要考虑材料的导热能力、价格及工艺性。
导热系数的大小表明导热能力的大小，导热系数越大，导热能力越强。
在金属材料中，钻石和银的导热系数最高，但价格不菲;纯铜次之，但加工不容易。
散热器一般采用铝合金，这是因为铝合金的加工性好（纯铝由于硬度不足，很难进行切削加工）、重量轻、表面处理容易、成本低廉[7]。
目前市场上多用铝合金作为LED散热器的材料，通常由压铸或挤压成型，铝合金的导热系数如表2。
表2铝合金导热系数表
牌号
状态
导热系数（W/m.℃）
6061
O
180
T4
154
T6
167
6063
O
218
T1
193
T5
209
T6
200
A360
/
113
A380
/
96
从功能上说，MR16的灯体即为散热器。
为了分析散热器材料对灯具的影响，保持其他条件不变，仅改变散热器的材料，以6063T5、6061T6为例进行分析，铝材挤压成型，经阳极氧化或耐酸铝处理来提高表面质量及辐射率，两种材料对应的热分布结果如图：
图2铝材6063T5的温度分布图，参考点约58.13℃
图3铝材6061T4的温度分布图，参考点约58.08℃
从图2来看，散热器的仿真温度与实验测试温度最大误差约1℃，符合工程需求。
由图3和图2可知，由于铝合金材料热阻很小，对散热器的影响不明显，不需要一味的为了提高热导率而使成本成倍的增加。
但是，如果采用压铸成型，压铸缺陷和外喷涂层的热阻相对较大，结果使热量不能及时散发到空气中，因此LED散热器常通过挤压成型。
2.有效散热面积
为了研究散热面积的影响，利用MR16散热器，仅配置1颗LED光源（铝基板中心）进行分析，其余条件不变，这就相当于将散热面积增加到原来的三倍。
温度分布如图4所示。
图4单颗LED时的温度分布图，参考点约39.09℃
从温度分布图可以看出，散热面积增大到三倍，参考点温度从58.13℃骤降到39.09℃，增加散热面积可以有效的降低系统温度。
散热器设计时，考虑成本及工艺美观性，散热面积不可能做得很大，但可以通过适当增加散热面积来降低系统温度。
3.生热率
LED灯具之所以要采用各种散热部件，关键原因是LED芯片发热，输入电能的绝大多数转换成为热能，降低芯片发热量及其热阻，可以明显减小热设计难度。
将LED生热率降低到1/3，其余条件不变，灯具的温度分布如图5所示。
图5生热率1/3时的温度分布图，参考点约39.08℃
从上图还可以发现，减小生热率可以明显的降低系统温度及LED结温。
随着LED光效的提高，生热率会逐步降低，这是现阶段LED发展的核心内容。
4.金属基板
金属基板在LED灯具中充当PCB和热通道两种作用，市场上也有其他材料的基板（如陶瓷基板），但作用机理相同。
金属基板一般由铜覆层、绝缘层和基板层组成（如图6）。
在计算机分析时，金属基板常简化为热阻模型或热导率模型，热阻和热导率都是材料的固有特性。
图6金属基板结构图
金属基板法向由于绝缘层的影响，热阻较大，所以在法向和其余方向的热导率大小不同，可理解为各向异性材料。
热阻模型用一热阻值来模拟金属基板，不需要CAD模型，使用时较方便;热导率模型用金属基板CAD模型来模拟，该模型需要赋予一平均导热系数（法向），其余向可赋为基板的导热系数，基板常用铝、铜等高热导率材料制成。
金属基板的热阻可由厂家提供或实验测试，然后根据导热的傅里叶公式进行导热系数的计算。
傅里叶公式作为理论公式，与实际情况有一定差异。
热阻定义为：
式中：
为热阻，单位℃/W，Q为热流量，单位W，
为温度差，单位℃。
温度梯度的笛卡尔坐标表达如下：
式中：
t为温度，
分别为x、y、z的方向向量。
导热的傅里叶公式为：
式中：
负号表示传递方向，Q为热流量，单位W，q为热流密度，单位W/?
，K为热传导系数，单位W/m?
℃;A为传热面积，单位?
。
设金属基板的法向为z向，其余方向（x向、y向）热导率很高，温度梯度很小，可忽略。
设法向厚度为d（单位m），温差为（单位℃），等效处理时，将材料法向视为导热系数为K的匀质材料，该值K比x、y向的导热系数小得多，它是金属基板性能的主要表征，称为金属基板的导热系数（为便于区别，下文仍称为法向导热系数）。
此时的傅里叶公式和金属基板的法向导热系数K分别为：
以铝基板样品在麦可罗泰克实验室的测试数据为例进行计算。
该样品长30mm、宽40mm、厚1.5mm，样品的平均热阻为1.03℃/W。
实际上，该热阻值还包括测试设备与样品的接触热阻，经过修正后，该部分热阻影响很小，简化处理时可以忽略。
将数据带入式（8）中计算，可得法向导热系数：
市场上金属基板的法向导热系数可达5W/m?
℃以上，陶瓷基板的法向导热系数达到了25W/m?
℃。
本文取铝基板法向导热系数为1.21W/m?
℃、3W/m?
℃和5W/m?
℃进行分析，其余条件不变。
图
（2）为法向导热系数为1.21W/m?
℃的温度分布图，图（7）和图（8）分别为法向导热系数为3W/m?
℃和5W/m?
℃时的温度分布图。
图7铝基板法向导热系数为3W/m?
℃的温度分布图
图8铝基板法向导热系数为5W/m?
℃的温度分布图
表3铝基板法向导热系数对灯具的影响
铝基板法向导热系数/W/m.℃
最大结温/℃
参考点温度/℃
备注
1.21
67.2
58.1273
仅改变铝基板热导率，其余参数不变
3
66.0
58.1445
5
65.7
58.1536
从表3可以看出，减小铝基板的热阻可以降低LED结温，但是，通过实验测试散热器外表面温度来评价整体散热性能比较困难，原因是温度差异值较小，实验测试本身也存在一定误差，通过计算机模拟可以评价其散热性能。
我们还可以发现，在相同条件下，仅改变特定部件的热阻，外部温度越低，结温越高，原因是热量散发不出来。
5.封装填充材料
目前LED灯具零件结合面多采用导热垫片、导热硅胶或导热膏等填充。
市场上的导热填充材料的热导率约1W/?
?
℃~5W/?
?
℃，甚至更高，但是单纯使用高导热率的硅胶对提高灯具整体散热性能不大。
以铝基板热阻值1℃/W为例，分别选用硅胶热导率为2W/?
?
℃和5W/?
?
℃来分析，假定硅胶厚度0.1毫米，涂抹面积Φ24。
由式（4）、（8）可得热阻的另一表达式：
代入上式可得硅胶热导率分别为2W/?
?
℃和5W/?
?
℃时的热阻，分别记作
这部分热阻比铝基板的热阻小很多，图2为硅胶热导率5W/?
?
℃时的温度分布，图9为热导率2W/?
?
℃时的温度分布。
从温度分布图可知，硅胶热导率对散热器温度及其结温影响都不大，结温仅降低0.1℃左右。
选用导热硅胶时，导热率仅须略高于金属基板的法向导热系数，需要注意的是控制硅胶的厚度，厚度越厚，热阻越大，实际应用时，常用螺钉固紧以压缩硅胶厚度。
图9硅胶热导率2W/?
?
℃时的温度分布图
6.对流条件
常见对流散热方式有两种：
自然对流和强制对流。
一般来说，自然对流的换热系数较小，可用流体软件进行模拟计算，也可用如下经验公式表示：
式中h为空气对流系数，v为空气流速。
为了说明改变对流条件对LED灯具散热的影响，在灯具法向（Z向）添加风速0.1m/s（类似于添加轴流风扇），通过FloEFD进行强制对流模拟，温度分布如图10所示，参考点温度从58.13℃降低到50.81℃。
图10Z向添加风速0.1m/s时的温度分布
通过改善对流环境可以有效的提高LED灯具散热性能。
改善对流环境的措施很多，如：
通过改变散热片形状来破坏空气层流状态、加装风扇等。
市场上部分LED灯具通过加装风扇来帮助散热，但是成本会相应的增加。
经验表明，热流率低于0.04W/cm²时，不需要加装风扇，同时，由于风扇比LED寿命低很多，一旦风扇出现问题，LED结温迅速升高，导致芯片永久失效。
所以LED灯具多采用自然对流散热，保证散热器的工作可靠度。
7.辐射
灯具散热器一般采用喷砂阳极氧化处理来提高辐射率及其美观性。
铝材阳极氧化以近红外线的形式发射能量，不同氧化工艺处理后的铝材辐射率见表4。
表4铝材辐射率（黑度）表
表面处理
测试温度（℃）
光谱
辐射率
抛光
50~100
T
0.04~0.06
未加工板
100
T
0.09
粗糙表面
20~50
T
0.06~0.07
强烈氧化
50~500
T
0.2~0.3
薄板，4件不同程度刮花样品
70
LW
0.03~0.06
薄板，4件不同程度刮花样品
70
SW
0.05~0.08
铸件，经强风净化
70
LW
0.46
铸件，经强风净化
70
SW
0.47
阳极氧化，浅灰，暗哑
70
LW
0.97
阳极氧化，浅灰，暗哑
70
SW
0.61
阳极氧化，黑色，暗哑
70
LW
0.95
阳极氧化，黑色，暗哑
70
SW
0.67
※光谱参数：
T：
全光谱;LW：
8~14um;SW：
2~5um
阳极氧化质量不同，辐射率也不同。
样品的辐射率可取强烈氧化和浅灰暗哑阳极氧化的平均值，图2中取的辐射率为0.8。
保持其他条件不变，将阳极氧化质量提高到辐射率0.97的较高水平，灯具温度分布图如图（12）所示。
图12表面辐射率0.97时的温度分布图
表5不同辐射率下的温度对比
辐射率
结温/℃
参考点温度/℃
0.8
67.18
58.13
0.97
65.98
56.98
结果表明，提高散热器表面的辐射率，通过红外波可以带走一部分热量，有利于LED灯具的系统散热，少量的红外辐射对环境的影响也不大。
目前，部分厂家通过深度阳极氧化来提高辐射率，也有厂家通过在灯具表面喷涂辐射涂料（厚度约0.1mm）来提高辐射散热率。
四、结论
散热技术是LED灯具设计的关键技术之一，良好的散热效果是LED灯具性能的保证。
一般商业照明灯具（如杯灯、筒灯、射灯等）的热管理精度在±2℃范围;路灯由于安装环境的不同，热管理精度可略低。
通过对影响LED灯具散热因素进行分析，我们可以得到如下结论：
1.通过系统散热设计可以降低LED结温，但是不能无限制的降低系统温度;
2.减小热阻较大部件的热阻值可以有效的降低LED结温;
3.改善对流环境（添加风扇）可明显降低系统温度，但需要注意系统的寿命和可靠度;
4.利用红外辐射也可以有效的帮助散热;
5.降低系统温度的根本原因是提高LED光效、减少生热率，也是LED发展的核心内容。
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