大功率LED路燈散熱技術(shù)獲得重大突破

張志強(qiáng)

(北京綠時(shí)代光電科技有限公司，北京 100029)

LED以其高效、節(jié)能、長壽命、綠色環(huán)保等顯著特點(diǎn)，被公認(rèn)為當(dāng)前最具發(fā)展前景的十大前沿技術(shù)之一，是21世紀(jì)全球最熱門、最矚目的新光源。隨著國家對(duì)低碳、節(jié)能減排政策的不斷推進(jìn)，LED產(chǎn)業(yè)遇到了大好的發(fā)展時(shí)機(jī)。

目前，國內(nèi)外LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，全球范圍內(nèi)正在迎來一輪推廣普及高潮。但是，在其整個(gè)行業(yè)當(dāng)中，成本和散熱問題始終是困擾LED發(fā)展和普及的兩大難題。其中大功率LED路燈的壽命除了電源和燈的本身質(zhì)量以外，散熱問題是最突出的重點(diǎn)。眾所周知道路照明用LED燈具為了實(shí)現(xiàn)有效地照明，必須有較高的照度，而達(dá)到較高的照度，就必須增大產(chǎn)品的功率，增加功率勢(shì)必增加熱能，熱量如果不能及時(shí)導(dǎo)散出去就必然導(dǎo)致光衰。相對(duì)來說，LED燈具本身質(zhì)量再好，散熱問題解決不好，性命難保，最終產(chǎn)生光衰造成死燈。因?yàn)長ED的光衰和壽命與LED的工作溫度高低有直接決定性的關(guān)系。LED路燈功率大、發(fā)熱高、工作時(shí)間長，光衰問題在使用中就會(huì)顯得十分突出。要做好大功率LED路燈，首先要做好燈具的散熱設(shè)計(jì)，不解決好散熱問題，LED就不能體現(xiàn)出長壽命的優(yōu)勢(shì)，LED如果不能實(shí)現(xiàn)長壽命的優(yōu)勢(shì)，一切優(yōu)勢(shì)都將付之一炬、無從談起，從實(shí)質(zhì)意義方面來講控制光衰和保障長壽命比節(jié)能更重要。所以，做好大功率LED燈具的核心問題就是解決好散熱和控制光衰，散熱問題是大功率LED路燈必須重點(diǎn)解決的問題。

通常定義LED燈具的亮度衰減到達(dá)30%的時(shí)間作為其壽命，LED本身耐溫性較差，它的光衰亮度是一個(gè)逐漸衰減的過程，而這個(gè)初始衰減的時(shí)間，除了和燈具本身的品質(zhì)有關(guān)外，主要是和燈的接觸溫度有關(guān)。以臺(tái)灣一款艾迪森LED燈具為例，其標(biāo)稱在溫度45℃時(shí)，經(jīng)過6.4萬小時(shí)，亮度為初始時(shí)的70%;溫度在65℃的時(shí)候，這個(gè)時(shí)間是3.4萬小時(shí);85℃時(shí)為1.9萬小時(shí);而接觸溫度為275℃時(shí)，這個(gè)時(shí)間是5秒。可見光衰是大功率LED路燈不能長期工作的主要原因，而降低光衰的一個(gè)重要方法就是改進(jìn)和強(qiáng)化散熱，如果燈具的散熱設(shè)計(jì)不到位，LED芯片的結(jié)溫就會(huì)過高，將導(dǎo)致芯片本身及封裝樹脂性能惡化，從而引起發(fā)光效率的降低和壽命的縮短。有效改善LED的散熱問題是攻克大功率照明燈具的關(guān)鍵。

要想延長LED燈具的壽命，關(guān)鍵是要降低其結(jié)溫，而降低結(jié)溫的關(guān)鍵是要有一款好的散熱器，使燈具始終工作在安全的溫度范圍內(nèi)，能夠及時(shí)的把LED產(chǎn)生的熱散發(fā)出去。這個(gè)道理說來很簡單，但在LED產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，散熱問題始終是廠家最棘手和頭疼的事，為了解決散熱和光衰問題，國內(nèi)很多企業(yè)窮盡心機(jī)。在近兩年國內(nèi)LED路燈多處死燈的案例中，雖然大家都意識(shí)到光衰是大功率LED路燈不能長期工作的原因，也開始認(rèn)識(shí)到降低光衰的一個(gè)重要方法就是改進(jìn)散熱，盡管如此從國家半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟在深圳組織的27家規(guī)模企業(yè)大功率LED燈具產(chǎn)品測(cè)試結(jié)果來看，1200小時(shí)亮燈后的光衰，最好的為8%，最差的為26%，平均為14%。多數(shù)廠家路燈的光衰仍然是不能滿足使用要求的。筆者認(rèn)為在散熱、溫度、重量和成本各個(gè)因素當(dāng)中，每個(gè)問題都不是孤立的，而是相互影響、相互制約、又是相互飄移的指標(biāo)。特別是路燈的散熱技術(shù)和路燈的重量一度成為技術(shù)上一個(gè)難以解決的矛盾。而很多廠家都在尋找合適的散熱方式，但實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中常常是問題迭出，溫度的控制和路燈的重量及成本很難理想優(yōu)化。道路照明LED對(duì)防水、防塵、防銹有著特別高的要求，需要有較高的防護(hù)等級(jí)，按照常規(guī)的思路，要使LED路燈能長期在戶外工作，最好的方案就是密封，然而密封和散熱又是一個(gè)特別突出的矛盾，密封會(huì)導(dǎo)致散熱受阻，那么反過來說防護(hù)問題解決不好，不但電路的安全和可靠性無法保證，自然環(huán)境的變化無常將迅速導(dǎo)致整個(gè)燈具產(chǎn)品快速報(bào)廢。

然而LED這個(gè)行業(yè)的性質(zhì)決定了只能成功不許失敗，LED發(fā)展到現(xiàn)階段可以說應(yīng)該是穩(wěn)定壓倒一切，盡可能控制光衰，避免死燈，才能讓它產(chǎn)生好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。要想做到有效的散熱，減小燈具的體積、重量和成本，燈具就必須有合理的散熱結(jié)構(gòu)。實(shí)際上任何一種散熱方式最終的散熱媒介都是空氣，問題是怎樣合理的把發(fā)光管產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到散熱面上，怎樣增大散熱殼體和空氣的接觸面，并有利于空氣在散熱表面的合理流動(dòng)，就是燈體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要解決的問題。

目前，市場(chǎng)上的LED路燈有兩種，多顆小功率LED組合式路燈和大功率多晶集成封裝式LED路燈，多顆星小功率LED組合路燈雖然容易解決散熱，但視覺效果差，光衰強(qiáng)，所用LED數(shù)量多，安裝成本高，滿天星形成影子重疊，容易造成司機(jī)視覺疲勞或眼花，電路不易調(diào)光，且燈具電路系統(tǒng)復(fù)雜，燈具電路端口多，可靠性降低，容易損壞，光電轉(zhuǎn)換效率在85%左右，相對(duì)較低。大功率LED路燈是指功率在30W以上的多晶集成封裝的LED燈具，在城市照明領(lǐng)域，LED采用大功率是一種趨勢(shì)，大功率多晶集成封裝式LED路燈亮度高，視覺效果好，有反光杯的遮擋可以避免眼睛直射強(qiáng)光點(diǎn)，在光色和照明質(zhì)量上大功率LED光源表現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，同一個(gè)燈具不會(huì)出現(xiàn)光色不均勻的現(xiàn)象，光源反射出的光在照射平面內(nèi)均勻透徹，具有很好的視覺舒適性，不會(huì)出現(xiàn)困擾組合式燈具的重影現(xiàn)象，驅(qū)動(dòng)電源端口少，可靠性強(qiáng)，線路布置在光源內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)電磁干擾，可以方便的實(shí)現(xiàn)無機(jī)調(diào)光功能，光電轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)95%以上。但是大功率多晶集成封裝式LED發(fā)熱量大，熱量集中，對(duì)散熱的要求較高，如果不能有效地解決好散熱問題，大功率LED路燈就壽命難保，面對(duì)誘人的LED市場(chǎng)，不少先行者鎩羽而歸的例子就說明了這一點(diǎn)，散熱問題是困擾大功率LED燈具發(fā)展和普及的行業(yè)性難題。正如國內(nèi)歷屆光電產(chǎn)品展銷會(huì)上的一句口頭語:就是大功率LED“誰做誰死”。所以會(huì)展上很少出現(xiàn)成功亮相的大功率LED燈具。目前國內(nèi)LED主流廠家大都選擇了多顆小功率LED組合路燈就是這個(gè)原因，生產(chǎn)大功率集成式路燈的廠家在國內(nèi)外只有屈指可數(shù)的幾個(gè)廠家。

據(jù)筆者多年來對(duì)該領(lǐng)域的考察，在大功率LED燈具散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，不少廠家僥幸迎合傳統(tǒng)的燈具外形，路燈散熱方式采用傳統(tǒng)路燈的散熱方式，實(shí)際上是起到了一個(gè)均溫均熱作用，將整個(gè)光源和驅(qū)動(dòng)電路裝入鋁合金燈殼當(dāng)中，雖然解決了燈具的防護(hù)問題，外觀也很傳統(tǒng)，很順眼，但是整個(gè)光源是在密閉的燈殼中，燈具工作中所產(chǎn)生的熱量無法散發(fā)到空氣中，導(dǎo)致LED和驅(qū)動(dòng)電路在極惡劣的環(huán)境中工作，工作溫度會(huì)產(chǎn)生積累升高，LED隨著溫度的升高功能劣化而出現(xiàn)光衰。驅(qū)動(dòng)器也因溫度超標(biāo)而損毀，大大降低了燈具的可靠性和使用壽命，要做好LED路燈，簡單的死守傳統(tǒng)的燈型裝配LED光源顯然是行不通的。

在LED路燈的散熱設(shè)計(jì)當(dāng)中，也有不少廠家采用鋁合金型材組合，將LED焊接在鋁基板上制作成模塊，在模塊底部涂抹導(dǎo)熱硅脂，用螺絲固定于鋁合金型材散熱器上，罩上光源外罩完成設(shè)計(jì)制作，這種設(shè)計(jì)雖然散熱方式有所改善，但燈具的重量過大，散熱器的表面溫度分布不均勻，形成明顯的溫度梯度，由于整個(gè)路燈是由多個(gè)部分連接而成，產(chǎn)品一致性差，在防水滲水安全方面是極不可靠的，而且所有的單顆LED均安裝在一個(gè)平板上，無法對(duì)燈具進(jìn)行配光，路燈的照明半徑無法滿足路燈的照明范圍。塵土、樹葉、鳥糞等長期在上面的積聚會(huì)使路燈失去散熱能力而過早出現(xiàn)光衰。更重要的是，散熱部分設(shè)置在一個(gè)平板上，雖然裸露的型材可以使熱量輻射或漂浮得到改善，缺乏通透性的散熱方式使空氣在散熱表面的合理流動(dòng)受到限制，使散熱效果大打折扣，好多大功率LED路燈散熱的致命弱點(diǎn)都集中體現(xiàn)在這一點(diǎn)上。

大功率LED要解決好散熱問題，燈具必須有一個(gè)合理的散熱結(jié)構(gòu)，有一款好的散熱器，，在保證產(chǎn)品的密封性能和防護(hù)等級(jí)的前提下又要保證良好的熱傳導(dǎo)、對(duì)流和發(fā)散。一款性能優(yōu)秀的散熱器應(yīng)滿足三個(gè)要求:吸熱快，熱阻小，去熱快。實(shí)現(xiàn)散熱好，重量輕，成本低。

熱管散熱應(yīng)當(dāng)是所有散熱方式中熱量導(dǎo)散效率較高的，但由于熱管散熱器的方向性方位局限和LED燈具的結(jié)構(gòu)特殊性，使熱管散熱在LED散熱方面結(jié)構(gòu)很難成型，不但外觀難看，而且成本高。且存在防水、防塵等防護(hù)問題。

在研究和生產(chǎn)大功率LED路燈的實(shí)踐過程當(dāng)中，我們北京綠時(shí)代光電科技有限公司總結(jié)了使用當(dāng)中的各種經(jīng)驗(yàn)，吸取眾多廠家的教訓(xùn)，經(jīng)過長時(shí)期的實(shí)驗(yàn)研究攻關(guān)，有效解決了路燈的散熱、成本和重量的難題。困擾大功率LED路燈的散熱問題得到突破，為大功率LED路燈的推廣和應(yīng)用帶來了希望。為了滿足不同客戶的選擇需要，我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種不同的散熱形式，一種形式是散熱材質(zhì)的調(diào)整組合和合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)成型的多維結(jié)構(gòu)散熱;另一種形式是利用高性能導(dǎo)熱的熱管散熱器，經(jīng)國家光電質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)亮燈后3000小時(shí)零光衰，其性能具行業(yè)之首。結(jié)果亮相后，引起同行業(yè)的極大關(guān)注，也讓權(quán)威機(jī)構(gòu)專家感到驚訝。目前國內(nèi)兩家規(guī)模LED生產(chǎn)廠家正在通過有關(guān)部門與公司溝通，積極尋求這項(xiàng)技術(shù)與產(chǎn)品。兩個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)，其一:PN結(jié)與環(huán)境溫度差僅為16度。其二:路燈重量與功率之比為0.0617克/W。這兩個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)在自然對(duì)流工況下同步達(dá)標(biāo)。由于散熱問題得到解決，路燈的亮度成倍增長，同樣光源功率的LED路燈亮度與同行業(yè)同規(guī)格路燈測(cè)試比對(duì)提高一倍左右。經(jīng)國家光電產(chǎn)品檢測(cè)檢驗(yàn)測(cè)試中心對(duì)產(chǎn)品的檢測(cè)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)3000小時(shí)零光衰，達(dá)到和超過國家LED產(chǎn)業(yè)研發(fā)聯(lián)盟3000小時(shí)光衰4%規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。2010年重現(xiàn)同樣權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測(cè)打破6000小時(shí)零光衰的記錄，在2011年2月11日綠時(shí)代LED路燈更是實(shí)現(xiàn)10000小時(shí)零光衰的檢測(cè)報(bào)告，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均居國內(nèi)外同行業(yè)之首。產(chǎn)品的散熱器體積小、重量輕，方向性好，120W路燈的整體重量只有6.8公斤，240W路燈的整體重量只有8.5公斤。是同行業(yè)內(nèi)重量最低的。這種散熱器適合任何一種燈型，不受任何功率、任何方位和角度的限制。實(shí)現(xiàn)了在25℃環(huán)境下，光源功率60W的多晶集成封裝式LED路燈，芯片最高溫度只有38℃;光源功率120W的多晶集成封裝式LED路燈芯片基板溫度只有41℃，高效率的導(dǎo)熱材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定了高可靠性，散熱器材料成本低廉，制作方便，性能可靠，耐各種惡劣條件，制作功效高，可形成量產(chǎn)規(guī)模。散熱與防護(hù)中的防水、防塵問題同時(shí)得到徹底解決，不僅適合于大功率路燈、信號(hào)燈、隧道燈、景觀燈，以及機(jī)車、地鐵、廣場(chǎng)、公園等場(chǎng)所，還適用于游泳館、海洋館等水下環(huán)境，此項(xiàng)技術(shù)產(chǎn)品若是廣泛推廣和應(yīng)用后將可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。