發光二極管二次散熱技術簡介
饒連江 南京漢德森科技股份有限公司（南京210000）
摘要:發光二極管（LED）以其優良的節能、環保、長壽等性能逐漸滲透到普通照明領域，需求量急劇升高。LED 的發展速度相當驚人，但其功率的80%左右轉化為熱量，所以掌握LED 散熱技術十分重要。文中主要講述LED 二次散熱的機理、工程設計方法和二次散熱新技術等。
關鍵詞:發光二極管（LED）,熱量,二次散熱,對流,輻射
0 引言
大功率高亮度發光二極管（LED）是21 世紀最具發展前景的一種新型冷光源。LED 產業是近年來被認為最有潛力的產業之一，大家都期待LED 能夠進入普通照明市場，成為新照明光源。隨著哥本哈根會議和低碳經濟議題的發起，LED 將大規模地進入了普通照明市場，其經濟產值已超過百億美元。
LED 的發光機理是靠PN 結中的電子在能帶間躍遷產生光能，當它在外加電場作用下，電子與空穴的輻射復合發生電致作用將一部分能量轉化為光能，而
無輻射復合產生的晶格震蕩將其余的能量轉化為熱能。
LED 設計時，必須注重它的散熱技術。
LED的散熱技術主要包括一次散熱技術和二次散熱技術。一次散熱技術指LED 的芯片封裝散熱，熱流途徑為LED 芯片傳導到封裝芯片的熱沉之上。二次散熱技術指LED 照明燈具的散熱設計，熱流途徑為LED芯片的封裝熱沉到周圍的空氣。對于大多數LED 燈具設計師來說，LED 封裝廠商提供完整的LED 封裝芯片及其熱性能參數，不需要進行一次散熱設計，他們的主要任務是進行符合工業造型的二次散熱設計。
目前，限制LED 照明燈具發展的瓶頸主要有兩個：一個是成本。LED 光源相對于傳統光源來說，價格還是偏高，但是，隨著生產工藝的進步以及國內企業的廣泛參與，LED 成本會逐步下降。另一個瓶頸是散熱。由于LED 屬于半導體發光器件，而半導體器件隨著自身溫度的變化，其特性會有明顯的變化。對于LED，結溫的升高會導致器件各方面性能的變化與衰減[1]。LED 的理論壽命能達到十萬小時以上，實際使用中，LED 的結溫一般都比較高，統計表明，70%的LED器件失效是由溫度過高導致的，結溫每升高10℃，LED 壽命將減少一半。LED 溫度升高，對發光效率和光源顏色也會造成一定危害。例如外量子提取率下降、主波長紅移、熒光粉效率降低等。
1 LED二次散熱機理
熱交換的三種基本方式為：熱傳導、對流和熱輻射。通俗的說，熱傳導是將熱量勻化或傳導到指定位置；熱對流是將熱源表面的熱量與介質(常為空氣、水等) 發生熱交換，結果使表面的溫度降低；熱輻射是將熱源的熱量通過波的形式(紫外線、可見光線、紅外線等) 發散到周圍的空間中。強制對流時，熱傳導和對流為主要的熱交換途徑，經過熱傳導的方式將熱量傳導到物體(散熱器) 表面，再通過對流換熱的方式將熱量發散到周圍介質中，熱
輻射能力相對較弱，在強制對流中常可忽略。
LED 常采用自然對流的方式進行散熱，原因在于如果采用風扇強制對流散熱，風扇的壽命相對于LED來說較短，一旦風扇失效，整個LED 燈具也將失效。
自然換熱對流的熱交換途徑與強制對流一樣，由于對流換熱系數不高(見表1)，對流作用較弱，熱輻射能
力相對有了提高，往往不能忽略。
表1 各種冷卻技術的對流換熱系數范圍
鋁的導熱系數較高，加工性能好，表面處理技術成熟且成本低廉，現階段主要通過鋁制散熱器進行散熱。鋁制散熱器表面處理技術成熟，可通過陽極氧化來提高表面輻射率，增加輻射熱交換。由于熱交換的計算關聯式很難給出比較精確的計算結果，并且使用時很容易出現錯誤，通常情況下我們建議使用一些經驗數據。空氣對流系數的經驗公式,熱設計 http://www.aji87.cn
2 工程設計方法
LED 二次散熱設計時需要考慮的問題主要有：散熱器的有效散熱面積、空氣流態、表面輻射率、輻射角系數和溫度等，同時，還需要考慮制造工藝、成本、使用特性等。
二次散熱設計流程如圖1 所示。LED 照明燈具作為一種商品，消費者購買時不僅關注其性能，更重要的是它的外觀，因此在設計初期，進行工業造型設計是十分重要的。在進行精心設計之前，常常需要預估散熱器的散熱性能，不能夠將精力投入到無法完成的設計任務之中。
目前常用的LED流體散熱設計軟件為ICEPAK和FloEFD。ICEPAK 是計算流體力學軟件提供商Fluent公司專門為電子產品工程師定制開發的專業的電子熱分析軟件，最新版軟件集成于ANSYS 公司的Workbench平臺之中。FloEFD 為NIKA 公司的旗艦產品，主要用于汽車、航空航天、機械、船舶、電子通訊、醫療器械、能源化工、暖通、流體控制設備、LED 半導體行業等，2006 年，NIKA 為FLOMERICS 公司收購，現該公司已成為OSRAM 公司LED Light For You(LLFY) 項目散熱模擬分析與熱測試方面全球唯一合作伙伴。借助計算機仿真技術，用戶可以減少設計成本、提高產品的一次成功率（get-right-first-time）和可靠性，改善產品的性能，并縮短產品的上市時間。
圖2 和圖3 分布為ICEPAK 和FloEFD 用于LED二次散熱仿真分析的實例。大多數時候，設計者還會對散熱器進行結構優化，包括優化安裝工藝和外觀造型、提高散熱性能和模具壽命等。
3 LED二次散熱新技術
LED照明燈具直接以散熱器作為外觀的主要部件(燈體)。傳統的散熱器材料為鋁合金，導熱系數較高，表面處理技術成熟，但它是電的優良導體，在LED 逐漸進入普通室內照明階段，用戶對燈具的安全性能要求日益提高，不希望直接接觸到導電體。LED 照明廠商開始開發和利用絕緣材料來制作散熱器。
陶瓷材料是人類利用已久的絕緣材料，氧化鋁（Al2O3）陶瓷以其價格便宜、導熱率高、輻射率大等特點逐步進入LED 散熱器市場，可望成為未來LED
主流的二次散熱材料。陶瓷密度約3.0~4.0 g/cm2，相對質量大，多用于小型室內照明燈具。圖4 為一款LED陶瓷散熱器，造型美觀，燈座亦為陶瓷材料，整體散熱性能較佳。
為適應LED 的散熱需求，國內外開發出一系列高熱導塑料，如圖5 所示。熱導率可達25W/mK，密度約1.3 g/cm2，表面輻射率約0.9，耐壓可達2 kV/mm以上。目前注塑技術成熟，并可根據外觀需求制成各種造型的燈具，該材料的應用前景十分廣闊。某著名公司開發的高熱導塑料LED 燈具如圖5 所示。
由于材料的絕緣特性，可將LED 燈具的所有部件改換成該材料，大大提高散熱面積，增強散熱性能，勢必成為將來LED 燈具發展的主流方向。
參考文獻
[1] 張萬路, 江磊等· LED 道路照明燈具散熱系統分析[J] ·中國照明電器，2009，2
[2] 饒連江·基于ANSYS 的LED 燈具熱分析[J] ·照明工程學報，2010，1
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