浅谈半导体灯具的散热机构设计

傅海勇

摘 要：LED灯珠是一种半导体材料，与普通二极管一样具有PN结，由于高亮二极管的功率相对比较大，所以与功率半导体器件相同，需要考虑散热问题，结温过高会直接影响LED灯珠的寿命，并且会增大LED灯珠的光衰，情况严重的会将LED灯珠烧坏，所以如何有效提高半导体灯具的散热效果成为人们关心的问题之一。文章探讨半导体灯具的散热机构设计，希望能在室内外照明及装饰等诸多领域得到推广与应用。

关键词：半导体 LED 灯具 散热

1 散热机构的设计与半导体灯具寿命息息相关

对于半导体灯具设计，散热机构设计是设计中的重要一环，散热机构设计能减少材料从而节约成本、提高LED灯珠的可靠性与寿命，长时间工作使用会比较容易造成每个器件性能降低，半导体灯具急速光衰，并造成安全事故，严重影响用户体验。

2 半导体灯具的散热器制造工艺现状

传统的半导体灯具仅仅将LED灯珠嵌设在铝材质制造而成的散热体内，利用铝材质良好的散热性能，将LED灯珠产生的热量散发出去，进而降低LED灯珠工作时升高的温度。尤其是对于大功率LED灯珠矩阵都会通过配置大型散热体来解决散热问题，然而问题随之而来：一方面，半导体灯具的总功率不断上升，为增加散热面积其对应的散热体也越做越大，導致了许多额外成本开销，灯具的重量也无法接受；另一方面，由于LED灯珠在使用时还需安装于专用光学灯罩内，有时候甚至是安置于一个相对密封的罩体中，由于密封的罩体内热量无法与外界空气形成对流，只能通过简单的辐射和大热阻的空气进行很少的热量传递。因此，现有LED灯珠即使使用散热面积较大的散热体，甚至散热体上加置散热风扇，也无法将LED灯珠发出的热量迅速带走，最终导致热量囤积于散热体上，使散热效果大打折扣，从而影响LED灯珠的使用寿命。目前市面上的半导体光源灯具散热器造型各异，散热器的制作工艺大都是采用铝材压铸成型工艺和挤压型材切割工艺制造，导热系数低、散热器重量较大、耗材多、后加工复杂、生产效率低、生产成本高。

2.1 铝合金压铸工艺

铝合金压铸工艺和塑料注塑工艺原理接近，都是将原材料加温成液态后填充到模具型腔形成产品，铝合金压铸的材料有ADC12、A380、A360、YL113，常用的材料是ADC12，相对于其他材料，它更加容易成型，优异的后加工和机械性能。

优点：（1）一体化压铸成型，整体性强；（2）外观可设计弧面，有利于工业造型。

缺点：（1）导热系数低（约为96 W/M·K）；（2）表面处理受限制。

2.2 铝挤出成型工艺

铝挤出成型工艺目前在大功率路灯、隧道灯领域相对广泛，近年来室内较少用。常用的材料为AL6063，相对于压铸ADC12材料，它具有很好的导热系数（一般为200 W/M·K）。

优点：（1）导热系数高；（2）容易做表面处理。

缺点：单向挤压型材，外观结构受到限制。

2.3 散热鳍片拼接扣工艺

散热鳍片常用的是五金冲压加工得到，容易实现自动化生产，使用的材料有导热铝合金。

优点：（1）散热面积多，需配合风扇形成空气流效果才能更好；（2）重量轻便。

缺点：成本较高。

2.4 热管结合散热鳍片工艺

热管结合散热鳍片相对来看成本较高，同时对外观和尺寸有一定要求。这将导致市面上一些小型公司放弃使用该项技术。

优点：（1）LED灯珠工作时发出的热能快速传导到散热器散热鳍片；（2）重量轻便。

缺点：（1）工艺相对复杂；（2）成本较高。

2.5 导热塑料注塑成型工艺

导热塑料分为两大类：导热导电塑料和导热绝缘塑料。半导体灯具散热器常用的是导热绝缘塑料。导热绝缘塑料主要成分包括基体材料和填料。基体材料包括PPS、PA6/PA66、PPA、PEEK等，填充材料包括AIN、SIC、AL203、石墨、纤维状高导热碳粉等。

优点：（1）一次成型，光泽度高；（2）绝缘性能优异，宜采用各种不同的电源方案。

缺点：（1）导热系数低；（2）重量相对金属较轻。

2.6 塑包铝结构工艺

市面上现有的塑包铝结构分为两种：（1）导热塑料和铝件是独立分开的2个组件，通常这种做法易成型加工，不需要先把铝块放置注塑模型腔内成型加工得到一体，而是后续通过机械固定结构将独立分开的2个组件固定形成一个整体。（2）导热塑料和铝件是一体注塑成型加工得到的。

优点：表面为导热塑料，绝缘性能好，安全。

缺点：成型工艺复杂。

3 半导体灯具散热

热量的3种传递方式有辐射、对流和传导。一般而言，LED灯珠工作时会产生光和热，散热器通常就是要把LED灯珠工作时产生的热散发出去，从能量层面来看，热并非能量，其实只是传递能量的形式，当外界能量冲击分子，能量就会由高能分子传递到低能分子，从微观层面来看，能力的传递就是热。通常，LED灯珠通过机械结构固定在散热器表面，LED灯珠与散热器的接触良好是决定LED灯珠工作时产生的热量传导到散热器的关键因素，半导体散热器的散热结构还需充分运用空气对流换气，通过传导与对流，使LED灯珠工作时产生的热量散发到空气中。

4 设计优化散热机构

4.1 半导体灯具散热设计方法的选择

散热机构设计通常使用EFD、ANSYS软件仿真，通常流体的固定边界与黏性对流体的阻力所产生的影响，使得流体中的流体元素会小部分受沿程阻力的干扰，另一方面，半导体灯具通常需要增加风扇来加速空气流动，由于风扇的增加会导致半导体灯具机构设计的复杂性，从另一角度来看，也会大大降低半导体灯具的可靠性。因此，半导体灯具的散热器采用被动式自然散热的方式，散热器的外观轮廓依据半导体灯具结构来定，因而直接利用半导体灯具外观从而设计成整体式散热器，针对散热器接触面平整度、基板厚度、散热片状条形状、散热片数量、散热片厚度、散热片与散热片的空气流动、散热片与空气接触的面积等，按照散热器相关设计准则进行优化设计，最后进行打样测试和分析定论。

4.2 被动式散热器设计

参照图1和图2，半导体灯具的散热机构包括基板1和灯体2，基板1经过旋压工艺拉伸出灯体2，再将灯体2上多余部分剪除使灯体2成圆筒状，基板1经过五金冲压扭曲后局部向上隆起形成带拉开片4的散热叶片3并形成通气孔5，基板1上第一围圆形排布设计有14条，第二围圆形排布有36条向散热器外部冲压扭曲的散热叶片3，拉开片4增加了基板1与散热叶片3的接触面积并且垂直分布，结合热量向上散发的特性，从而加快散热速度，提高整体性能。

5 结语

目前，半导体灯具得到广泛应用，其具有体积小、重量轻、使用寿命长和节能效果极佳等优点，但是半导体灯具跟半导体一样普遍存在发热量大、热量不易散发的问题，热量的积累容易导致半导体光源寿命减少、发光效率降低。上述优化后的被动式散热器设计具有制作工艺简单、易一次性成型加工、扭曲过程中较少废料、材料利用率高、生产成本低等优点。

参考文献

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