新型LED灯散热性研究

王琛，徐慧君，申勋业

（东北农业大学工程学院，哈尔滨150030）

1 LED结构及特性

LED（Light Emitting Diode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来[1]。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。

LED具有功耗低、体积小、可靠性高、寿命长和响应速度快等优点，已被应用于仪器仪表、计算机、汽车、电子玩具、通讯、自动控制、军事等领域。由于发光效率和发光强度的极大提高，达到烛光级的亮度，大功率LED已经逐步被应用于公路、铁路和机场的交通信号灯系统，汽车的尾灯、刹车灯和方向灯、户外大屏幕信息显示和全彩色电视显示系统等[2]。

2 大功率LED发展

大功率LED是指拥有大额定工作电流的发光二极管。普通LED功率一般为0.05W、工作电流为20mA，而大功率LED可以达到1W、2W、甚至数十瓦，工作电流可以是几十毫安到几百毫安不等[3]。由于目前大功率LED在光通量、转换效率和成本等方面的制约，因此决定了大功率白光LED短期内的应用主要是一些特殊领域的照明，中长期目标才是通用照明。何谓大功率LED，业界也没有公认的说法，目前普遍默认的划分标准为，超过1W即属于大功率LED或称作瓦级LED。

我国虽有多家企业开发生产LED城市照明路灯，但很多是用小功率LED阵列作发光体，散热问题解决了，所用LED数量要很多，小功率LED光衰强，安装成本高。城市照明LED路灯采用大功率LED是发展的趋势，少数用大功率LED作发光体的路灯产品由于没有很好地解决功率达到一定量时，LED的散热问题，LED的散光和聚光控制问题，路灯在路面照射面的照度范围、型态和照度的均衡问题光电转换效率太低，每瓦只有几个流明等问题[4]。因此散热和可靠性是影响大功率LED应用主要因素。

3 热效应对LED的影响

LED其光谱中不含红外成分，产生的热量不能靠辐射发出，故LED是冷光源。目前LED的发光效率仅能达到10%～20%，还有80%～90%的能量转换成了热量。

对于LED，结温（当电流流过LED元件时，P-N结的温度将上升，严格意义上说，就把P-N结区的温度定义为LED的结温。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我们也可把LED芯片的温度视之为结温。）高会导致器件各方面性能的变化与衰减。这种变化主要体现在三个方面：（1）减少LED的出光量；（2）造成LED发出光的峰值波长偏移，从而导致光源的颜色发生偏移；（3）缩短LED的寿命。

大功率LED灯是否能够正常工作，除LED芯片本身的因素之外，在很大程度上还取决于LED与散热片的合理匹配及安装接触面的导热条件。因此，散热器的结构形式及安装工艺是大功率LED灯有效散热的重要环节。

3.1 散热片概述

大功率LED灯的散热片主要是以辐射和对流散热，通过增加散热总的有效面积，提高散热性能。散热片一般采用导热率高的材料，可用铝、铁、铜等材料。在截面积和厚度相同的条件下，铜材的散热效果最好。但一般多用铝材，因铝的散热性能优于铁，而重量比铜、铁轻的多，成本远低于铜。散热器表面应光洁平整，内部不得有疏松气孔等缺陷。表面涂黑处理是将辐射率增大，有利于进一步减小外热阻。散热器是由基体与若干翘片组成的散热结构，与单个翘片不同，其散热单元为两两相邻的翘片与基体组成的U形或V形等通道，因此，必须考虑间距和散热片的肋片个数对散热性能的影响。

散热片的冷却方式可分为自然冷却和强迫冷却两类。强迫冷却可分为强迫风冷和强迫水冷两种。自然冷却通过空气自然对流及辐射作用将热量带走；强迫风冷需要配备风机，强迫水冷需要配备循环水系统。照明用大功率LED灯，均是自然空气冷却散热[5-6]。

4 ICEPAK仿真

4.1 ICEPAK软件介绍

ICEPAK软件由全球最优秀的计算流体力学软件提供商Fluent公司，专门为电子产品工程师定制开发的专业的电子热分析软件。借助ICEPAK的分析和优化结果，用户可以减少设计成本、提高产品的一次成功率（get-right-first-time）、改善电子产品的性能、提高产品可靠性、缩短产品的上市时间。ICEPAK软件广泛应用于通讯、汽车及航空电子设备、电源设备，通用电器及家电等领域[7]。

ICEPAK软件具有以下功能：

1.快速几何建模功能：友好界面和操作、基于对象建模、各种形状的几何模型、大量的模型库、ECAD/IDF输入、专用的CAD软件接口IcePro。

2.强大的zoom-in功能：能够自动将上一级模型的计算结果传递到下一级模型，从系统级到板极，从板极到元件级，层层细化，大大提高您的工作效率。

3.先进的网格技术：具有自动化的非结构化网格生成能力，支持四面体、六面体以及混合网格；具有强大的网格检查功能。

4.参数化和优化设计功能：可以通过设计变量来定义任何一个复选框——active、湍流、辐射、风扇失效等；任意量都可设置成变量，通过变量的参数化控制来完成不同工况、不同结构、不同状态的统一计算；通过对变量自动优化，获得热设计的最优方案。

5.丰富的物理模型：自然对流、强迫对流和混合对流、热传导、热辐射、流-固的耦合换热、层流、湍流、稳态、非稳态等流动现象。

6.强大的解算功能：FLUENT求解器、结构化与非结构化网格的求解器、能够实现任何操作系统下的网络并行运算。

7.强大的可视化后置处理。

4.2 ICEPAK软件模拟仿真

现以一典型LED灯为例，使用热分析软件Fluent Icepak v4.2分析翘片各几何参数、位置、材料、表面处理等对散热性能的影响。建立物理模型：选定某一大功率LED芯片为热源，工作在自然空气冷却条件下，选取的散热器为铝材料，铝基板0.03 m× 0.03 m×0.001 m，LED芯片0.025 m×0.025 m，散热片基体、LED芯片、铝基板间通过导热胶连接。相关参数如下表1所示。

表1 LED灯相关参数Table 1 Pertinent parameter of LED lamp

4.2.1 散热片翘片的影响

任选一表面增设翘片，仅翘片某一几何参数变化，其余参数保持不变时，分析LED芯片结温变化情况。由上面分析结果可知，上表面翘片散热效果较明显，故选择翘片纵向分布在散热器基体上表面。翘片宽度0.003m，长度0.14m，数量20均布，其他几何参数及环境条件均保持不变，建立物理模型，如表2所示。

表2 不同翘片高度时LED芯片结温Table 2 LED chip Junction Temperature of different Heat Sink height

表2所示表示结温是翘片高度的函数。达到某一高度后翘片散热效果就会降低，在本例中散热器高度从0.06m开始到0.01m，每增加0.02 m对结温的改善只有约2℃。

翘片厚度的影响是选择翘片纵向分布在散热器基体上表面。翘片高度0.03 m，长度0.14 m，数量20均布。其他几何参数及环境条件均保持不变。如表3。

表3 各种翘片厚度时LED芯片结温Table 3 LED chip Junction Temperature of different Heat Sink thickness

翘片的厚度达到某一厚度后翘片散热效率就会降低，而且LED结温随着翘片厚度的增加降低的越来越小，这是因为翘片厚度增加减小了翘片间距，阻碍了翘片间带走热量的空气流动速度。

翘片长度的影响是翘片纵向分布在散热器基体上表面。翘片高度0.03 m，厚度0.003 m，数量20均布。其他几何参数及环境条件均保持不变。如表4。

表4 不同翘片长度时LED芯片结温Table 4 LED chip Junction Temperature of different Heat Sink length

翘片数目的影响是选择翘片纵向分布在散热 片。翘片高度0.03 m，厚度0.003 m，长度为0.14 m。其他几何参数及环境条件均保持不变。如表5。

表5 不同翘片数目对LED芯片结温Table 5 LED chip Junction Temperature of different Heat Sink number

4.2.2 散热片表面处理的影响

散热片以对流和辐射的形式对外散热，在自然对流情况下，应考虑辐射的影响。表面处理指翘片表面涂覆复合材料或煮黑等氧化处理，提高翘片表面辐射率（辐射率是描述面辐射源特性的物理量，它表示辐射源在某一方向上的单位投影表面在单位立体角内的辐射通量[7]）。选择翘片纵向分布在散热片。翘片高度0.03m，厚度0.003m，长度为0.14m，数目20片，均匀分布。在其他几何参数及环境条件均保持不变的情况下。如表6所示。

表6 不同辐射率时LED芯片结温Table 6 LED chip Junction Temperature of different Heat Sink radiance

表6结温是辐射率的函数。随着翘片表面处理后辐射率的提高，LED结温随辐射率增大而减小，但是超过某一数值后随着辐射率继续增大LED结温降低的趋势越来越小，散热效果不明显[8]。

5 结论

在对LED灯散热片散热性能分析中，我们并没有改变散热片的结构性能参数，由于散热片主要是靠散热翘片增加散热面积来达到有效散热。如果改变散热片与器件的连接基体，基体的散热影响并不明显，并且改变基体在实际中并不容易，会提高散热片的成本。综合上述可知：

（1）散热片虽然前、后、左、右四侧面上单位面上的散热效率高，但由于工艺受到了限制。我们设计翘片或重点对上表面的翘片进行优化。

（2）散热片翘片厚度对散热器性能的影响不如翘片长度、高度、数目的影响明显；所以在进行散热器优化设计时，要考虑影响散热片性能的主要因素，这样既可以节省时间，也能满足工程需求。翘片尺寸达到一定程度后，若继续增大，其对散热片散热性能的增强效果就变得不明显，因此翘片各几何参数存在最优值。

（3）涂覆、氧化等表面处理，翘片表面与环境的温差增大均对散热片散热性能有明显增强作用，所以，工程应用或翘片的优化也应重点考虑这些因素。

［1］吕正，姚和军.发光二极管的发展现状与市场前景［J］.现代计量测试，2005，8：8-11.

［2］苏达，王德苗.大功率LED散热封装技术研究的新进展［J］.电力电子技术，2007，10（41）：69-71.

［3］卢文全，张仲生.新型大功率白光LED组件［J］.中国照明电器，2007，6（6）：761-765.

［4］李志航，高铁成.LED道路照明光源的散热与配光应用［J］.电器技术2008，4：95-98.

［5］从秋波.LED照明趋势：宽范围、高能效及创新驱动［J］.电子设计技术，2010，1（8）：42-44.

［6］张持健，陆同兴集成电路静电放电的保护及预防［J］.电工技术，1998，8（53）：53-55.

［7］Sheng Liu，Tim Lin，Xiao bing Luo，et al.A Microjet Array Cooling System or Thermal Management of Active Readers and High-Brightness LED［A］.Electronic Components and Technology Conference［C］.2006：1634-1638.

［8］余彬海.结温与热阻制约大功率LED发展［J］.发光学报，2005，26（6）：761-766.