LED灯具散热技术分析.docx

1、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

2、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%

3、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/m;为比热容，单位J/(kg.K);为热导率

4、(也称导热系数)，单位为W/(m.K);为内热源强度，单位W/m。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、

5、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GE Lighting、Philips Lighting、LumiLED、Hella、OSRAM等。2006年，NIKA为FLOMERICS公司收购，现该公司已成为OSRAM公司LED Light For You(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

6、置三颗Cree XR-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1 MR16外形及其温度测试点表1 MR16杯灯外壳温度测试输入功率(W)室温()测试值1测试值22.662658.359.1三、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

7、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.)6061O180T4154T61676063O218T1193T5209T6200A360/113A380/96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

8、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

9、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

10、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

11、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 (

12、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5 W/m?以上，陶瓷基板的法向导热系数达到了25 W/m?。本

13、文取铝基板法向导热系数为1.21 W/m?、3 W/m?和5 W/m?进行分析，其余条件不变。图(2)为法向导热系数为1.21 W/m?的温度分布图，图(7)和图(8)分别为法向导热系数为3 W/m?和5 W/m?时的温度分布图。图7 铝基板法向导热系数为3 W/m?的温度分布图图8 铝基板法向导热系数为5 W/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1.2167.258.1273仅改变铝基板热导率，其余参数不变366.058.1445565.758.1536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

14、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1 W/?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2 W/?和5 W/?来分析，假定硅胶厚度0.1毫米，涂抹面积24。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

15、别为2 W/?和5 W/?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5 W/?时的温度分布，图9为热导率2 W/?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2 W/?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

16、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10 Z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/cm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

17、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50100T0.040.06未加工板100T0.09粗糙表面2050T0.060.07强烈氧化50500T0.20.3薄板，4件不同程度刮花样品70LW0.030.06薄板，4件不同程度刮花样品70SW0.050.08铸件，经强风净化70LW0.46铸件，经强风净化70SW0.47阳极氧化，浅灰，暗哑70LW0.97阳极氧化，浅灰，暗哑70SW0.61阳极氧

18、化，黑色，暗哑70LW0.95阳极氧化，黑色，暗哑70SW0.67光谱参数：T：全光谱;LW：814um;SW：25um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/0.867.1858.130.9765.9856.98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

19、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。