新型LED燈散熱性研究
王琛，申勛業(yè)，徐慧君(1東北農(nóng)業(yè)大學工程學院150030)
摘要：LEO具有高效、節(jié)能、環(huán)保、壽命長、響應速度快等特點，被視作必將成為繼白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈之后的第四代光源．但目前LED芯片80％-90％的電能轉(zhuǎn)化成熱量，而僅靠芯片封裝器件外殼散熱難以維持低溫工況，嚴重制約了大功率LED燈的應用．我們主要是研究在自然空氣冷卻狀態(tài)下，影響大功率LED燈散熱性能的因素及各因素影響的程度，及大功率LED燈散熱設計．
關鍵詞：LED 散熱性能 結(jié)溫 翹片 輻射率
LED結(jié)構(gòu)及特性
LED(Light Emitting Diode)，發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個半導體的品片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的止極，使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導體品片由兩部分組成，一部分是P犁半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個“P_N結(jié)”。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長決定光的顏色，是由形成P—N結(jié)材料決定的。
LED具有功耗低、體積小、可靠性高、壽命長和響應快等優(yōu)點，己被應用于儀器儀表、計算機、汽車、電子玩具、通訊、自動控制、軍事等領域。由于發(fā)光效率和發(fā)光強度的極大提高，達到燭光級的亮度，大功率LED已經(jīng)逐步被應用于公路、鐵路和機場的交通信號燈系統(tǒng)，汽車的尾燈、剎車燈和方向燈、戶外大屏幕信息顯示和全彩色電視顯示系統(tǒng)等。
2大功率LED發(fā)展
大功率LED是指擁有大額定工作電流的發(fā)光二極管。普通LED功率一般為0．05W、工作電流為20mA，而大功率LED可以達到1w、2W、甚至數(shù)十瓦，工作電流可以是幾十毫安到幾百毫安不等m1。由于目前火功率LED在光通量、轉(zhuǎn)換效率和成本等方面的制約，岡此決定了大功率白光LED短期內(nèi)的應用主要是一些特殊領域的照明，中長期目標才是通用照明。何謂大功率LED，業(yè)界也沒有公認的說法，目前普遍默認的劃分標準為，超過1w即屬于大功率LED或稱作瓦級LED。
我國雖有多家企業(yè)開發(fā)生產(chǎn)LED城市照明路燈，但很多是用小功率LED陣列作發(fā)光體，散熱問題解決了，所用LED數(shù)=暈=要很多，小功率LED光衰強，安裝成本高．城市照明LED路燈采用大功率LED是發(fā)展的趨勢，少數(shù)用大功率LED作發(fā)光體的路燈產(chǎn)品由于沒有很好地解決功率達到～定量時，LED的散熱問題：LED的散光和聚光控制問題：路燈在路面照射面的照度范圍、型態(tài)和照度的均衡問題：光電轉(zhuǎn)換效率太低，每瓦只有幾個流明等問題H’。因此散熱和可靠性是影響人功率LED應用主要因素。
3熱效應對LED的影響
LED其光譜中不含紅外成分，產(chǎn)生的熱量不能靠輻射發(fā)出，故LED是冷光源。目前LED的發(fā)光效率僅能達到10％～20％，還有80％～90％的能量轉(zhuǎn)換成了熱量。
對丁二LED，結(jié)溫(當電流流過LED元件時，P-N結(jié)的溫度將上升，嚴格意義上說，就把P-N結(jié)區(qū)的溫度定義為LED的結(jié)溫。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我們也可把LED芯片的溫度視之為結(jié)溫。)高會導致器件各方面性能的變化與衰減。這種變化主要體現(xiàn)在三個方面：
(1)減少LED的出光量；(2)造成LED發(fā)出光的峰值波長偏移，從而導致光源的顏色發(fā)生偏移：(3)縮短LED的壽命。
大功率LED燈是否能夠正常工作，除LED芯片本身的岡素之外，在很大程度上還取決LED與散熱片的合理匹配及安裝接觸面的導熱條件。因此，散熱器的結(jié)構(gòu)形式及安裝工藝是大功率LED燈有效散熱的重要環(huán)節(jié)。
3．1散熱片概述
大功率LED燈的散熱片主要是以輻射和對流散熱，通過增加散熱總的有效面積，提高散熱性能。散熱片一般采用導熱率高的材料，可用鋁、鐵、銅等材料。在截面積利厚度相同的條件下，銅材的散熱效果最好。但一般多用鋁材，因鋁的散熱性能優(yōu)于鐵，而重量比銅、鐵輕的多，成本遠低于銅。散熱器表面應光潔平整，內(nèi)部不得有疏松氣孑L等缺陷。表面涂黑處理是將輻射率增大，有利于進～步減小外熱阻。散熱器是由基體與若干翅片組成的散熱結(jié)構(gòu)，與單個翅片不同，其散熱單元為兩兩相鄰的翅片與基體組成的U形或V形等通道，因此，必須考慮間距和散熱片的肋片個數(shù)對散熱性能的影響。
散熱片的冷卻方式可分為自然冷卻和強迫冷卻兩類。強迫冷卻可分為強迫風冷和強迫水冷兩種。臼然冷卻通過空氣自然對流及輻射作用將熱量帶走；強迫風冷需要配備風機，強迫水冷需要配備循環(huán)水系統(tǒng)。照明用大功率LED燈，均是白然空氣冷卻散熱∞。61。
現(xiàn)以一典型LED燈為例，使用熱分析軟件Fluent Icepak v4．2分析翅片各幾何參數(shù)、位置、材料、表面處理等對散熱性能的影響。建立物理模型：選定某一大功率LED芯片為熱源，工作在自然空氣冷卻條件下，選取的散熱器為鋁材料，鋁基板0．03mX 0．03m X 0．001m，LED芯片0．025mX 0．025m，散熱片基體、LED．芯片、鋁基板間通過導熱膠連接
3．2散熱片翹片的影響
任選一表面增設翅片，僅翅片某一幾何參數(shù)變化，其余參數(shù)保持不變時，分析LED芯片結(jié)溫變化情況。由上面分析結(jié)果可知，上表面翅片散熱效果較明顯，故選擇翅片縱向分布在散熱器基體上表面。翅片寬度0．003m，長度0．14m，數(shù)量20均布，其他幾何參數(shù)及環(huán)境條件均保持不變，建立物理模型，如表3-2所示。
3．3散熱片表面處理的影響
散熱片以對流和輻射形式對外散熱，在自然對流情況下，應考慮輻射的影響。表面處理指翅片表面涂覆復合材料或煮黑等氧化處理，提高翅片表面輻射率(輻射率是描述面輻射源特性的物理量。它表示輻射源在某一方向上的單位投影表面在單位立體角內(nèi)的輻射通量)。選擇翅片縱向分布在散熱片。翅片高度0．03m，厚度0．003m，長度為0．14m，數(shù)目20片，均勻分布。在其他幾何參數(shù)及環(huán)境條件均保持不變的情況下。如表3—6所示。
4 結(jié)論
在對LED燈散熱片散熱性能分析中，我們并沒有改變散熱騙的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，由于散熱片主要是靠散熱片翹片增加散熱面積來達到有效散熱。如果改變散熱片與器件的連接基體，基體的散熱影響并不明顯，并且改變基體在實際中并不容易，會提高散熱片的成本。綜合上述可知：
1)散熱片雖然前、后、左、右四側(cè)面上單位面上的散熱效率高，但由于工藝搜到了限制。我們設計翅片或重點對上表面的翅片進行優(yōu)化；
2)散熱片翅片厚度對散熱器性能的影響不如翅片長度、高度、數(shù)目的影響明顯；所以在進行散熱器優(yōu)化設計時，要考慮影響散熱片性能的主要因素，這樣既可以節(jié)省時間，也能滿足工程需求。翅片尺寸達到一定程度后，若繼續(xù)增大，其對散熱片散熱性能的增強效果就變得不明顯，因此翅片各幾何參數(shù)存在最優(yōu)值
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