LED灯散热器研究与开发

蓝振善

摘 要：LED灯与传统照明灯相比具有使用寿命长，节能，光效高等优点，近几年来越来越多应用于各个行业，如：路灯、工矿灯、景观灯、室内照明等，从2013到2016年LED行业出口额总体呈增长状态， 但是LED芯片发热量非常大，当温升达到一定程度，就会影响灯具的寿命及光效，实际中LED总的电光转换效率约为30﹪，剩余的70%电能将以热能的形式释放，LED灯具热量上升直接影响有：发光效率，主波长不稳定，色温偏低，正向电压降低，反电流增大，材料劣化等等，因此设计一款LED灯，首先要考虑它的散热问题，选用或设计良好的散热器至关重要。

关健词：LED灯、发热量 、电光转换效率、散热器

一、热运动的几种方式

热运动方式主要以：热传导，热对流，热辐射。

（一）热传导

温度不同的物体各部分之间或温度不同的各物体之间直接接触时，依靠分子、原子即自由电子等微观粒子的热运动而进行热量传递的现象

（二）热对流

由系统内流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混而产生的热量传递现象称为热对流。

（三）热幅射：由热运动产生，热量以电磁波形式传递

（热传导和热对流需要借助介质进行散热，而热辐射则不用，如真空）。

对于高功率LED，短时间运行其最高允许结温为125℃，而长期使用结温不允许超过110℃，对于低功率LED，其最高允许结温为80℃。

散热器设计中我们通常考虑几个方面：导热材料，传导介质，热能位置，吸热界面，热流方向，环境温度等等。

将光源或光源铝基板紧贴着散热器并固定，利用散热器将热量散到周围空间，必要时再加上散热风扇，以一定的风速加强冷却散热（风冷），在某 些大型设备的功率器件上还采用流动冷水冷却板（水冷），它有更好的散热效果。在自然状态下冷却和在风扇加强对流状态下冷却有一定区别，这两种冷却方式的散热片设计要区分设计，一种称为自然冷却散热片设计，若加风扇则是强制对流散热片设计。

二、自然冷却散热器的设计

选择散热器的材料，一般是选择铝材，金、银、铜、的散热效果比铝好，但价格承受不了，采用性价比最好的铝材是6063，传导率如表1。

目前用来制造散热器的工艺主要有：挤压成型、铸造、锻造、机械加工等，根据不同需要，散热器可以采用不同的成型方式，目前市场上的散热器：用以上几种工艺制造的都有。

（一）散热器的尺寸设计

1、散热器截面尺寸的初步设计。先根据结构要求、芯片功率、散热面积要求做初步的尺寸设计，确定大体尺寸，尽可能增加散热器散热面积，从经济上面和实用性方面考虑，要尽可能减少散热器的重量，然后再就散热片的细部如鳍片及底部尺寸做详细设计。

2、散热片子底部铝材厚度尺寸的优化。散热器的整体热阻就是由与LED模块的接触面开始逐层累计而来，吸热底内部的热传导阻抗是其中不可忽视的一部分。为了将吸收的热量有效地传导到尽量多的鳍片上，因此还需要吸热底有较好的横向热传导能力，我们在设计灯具时首先满足吸热底有足够的厚度，良好的底部厚度设计必须由热源部分厚而向边缘部份变薄，如此可使散热片由热源部份吸收足够的热向周围较薄的部份迅速传递，因为厚度太大，散热体会变的比较重，性价比低，一般厚度不大于10个毫米，除非特殊要求散热器。

3、鳍片间距、厚度、高度的优化设计。考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果齿间距太小，两个齿的热边界层易交叉，影响齿表面的对流，所以一般情况下，对于大功率散热器，建议散热器齿间距大于12mm，高度尽可能高，目前国际上先进的挤压设备及工艺已能够达到23的高宽比，国内少部分厂家目前高宽比也可以做到20 ， 如果散热器齿高低于10mm，可按齿间距≥1.5倍齿高来确定散热器的齿间距。

当鳍片的形状固定，厚度及高度的平衡变得很重要，特别是鳍片厚度薄高的情况，会造成前端传热的困难，鳍片厚度厚高的情况，又不经济，使得散热片即使体积增加也无法增加效率，

以下为鳍片形状参考值，斜角一般0～3度，为增中散热面积，可以在鳍片上面增加一结散热齿，对散热器的温升一般能够减少一些，但不是非常明显。

以下为散热片设计的厚度、间距、高度的配比参考值：

（二）散热片表面处理

常见的后处理方法：1、烤漆：喷漆后进烘房加温干燥工艺；2、电泳：2电泳涂料在阴阳两极， 施加于电压作用下， 带电荷的涂料离子移动到阴极， 并与阴极表面所产生的碱性物质作用形成不溶解物， 沉积于工件表面的过程；3、电镀：电镀就是利用电解的方式使金属或合金沉积在工件表面，以形成均匀、致密、结合力良好的金属层的过程；4、喷塑：将塑料粉末喷涂在零件上的一种表面处理方法；5、阳极：将金属或合金的制件作为阳极，采用电解的方法使其表面形成氧化物薄膜。

散热片表面做阳极处理可以增加辐射性能而增加散热片的散热效能，也可以根据其它需求选择以上不同工艺。

三、强制对流散热片设计

1、增加空气流速这个是很直接的方法，可以配合风速高的风扇来达成目的，对于采用风扇强制对流的设计，首先要构建一个基本封闭式环境，除了排风通道，进气口，风扇排气孔，其它地方要成封闭状态或者基本封闭状态。散热源产生的热量传导到散热体后，通过风扇能够及时将热量排出去。一般用风扇强制对流散热，会比自然冷却方式效果会好很多，温升至少会比自然冷却方式小50%，当然在采用风扇强制对流散热的方式，要考虑的因素也很多：风扇的寿命、成本、安装方式，散热鳍片的设计间距可以稍微小点，在散热鳍片上面增加细齿，增加散热面积，也可以更加有效地散热。

2、平板型鳍片做横切将平板鳍片切成多个短的部分，这样虽然会减少散熱片面积，但是却增加了热传导系数。

四、用散热分板软件对所设计的散热片进行模拟

用散热分析软件能够模拟出散热器在工作状态的表面温度，从而验证温升是否达到要求，用的比较多的热仿真软件有：FloTHERM、FloEFD、Icepak，一款散热器设计好后，最好都要用散热软件进行温升模拟，可以提高效率，节省成本，用散热软件进行温升模拟，等涉及到一些软件内一些参数的设置：

1、LED模型的简化；2、铝基板导热硅脂的热阻设置；3、led芯片的发热功率的确定（一般理论值70%）；4、铝基板的设置；5、各表面处理方式的辐射氧化参数；6、网格的优化；7、电源功率的确定；8、散热仿真的报告格式。

五、结语

一款LED灯，他的质量和寿命对它的价格起到决定作用，一些国外商户在选择我们国内生产的产品时，对于芯片的温升有着严格的规定，而光源芯片热量能够有效地排出去，它的散热片设计非常重要，好的散热片：重量轻、散热快、功率可以做的很大，整个灯的性价比非常高，在出口竞争中能够占有决对的优势，因些对散热片进行反复优化设计、计算，及用散热分板软件对设计进行验证，是非常有必要的，是LED灯设计的核心部分，要加强重视。

参考文献：

[1]戴炜锋，王琚，李越生.大功率LED封装的温度场和热应力分布的分析[J].半导体光电，2008（29）：324-328.

[2]张楼英，李朝林.LED封装中的散热技术研究[J].电子与电子封装，2009，9（5）：1-4.