大功率LED熱沉結構性能分析與集成式散熱系統研究

溫瑞

摘 要 大功率LED照明是固態照明的一種，它的優點是使用壽命長、安全環保且高效節能。但受到技術因素的影響，在大功率LED的使用過程中，難免會遇到一些棘手的問題，比如其發熱量大、散熱不好就是一個亟待解決的問題。本文就大功率LED照明的熱沉結構性能及其散熱系統進行探討研究。

關鍵詞 大功率LED；熱沉結構；集成式散熱；研究

中圖分類號 TP3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）164-0169-01

據相關調查研究表明，我國目前使用的LED照明的發光效率僅為10%～20%，其他能量全部都轉化成了熱能，這就使得大功率LED的熱流密度過大，一旦熱量不能及時有效地散發出去，那么LED照明的芯片將會因溫度過高而出現一系列不良后果，嚴重時還會影響LED的使用壽命。因此，如何解決好大功率LED照明的散熱問題成為其進一步發展的關鍵。

1 LED相關內容概述

LED器件的散熱方式通常有2種重要的散熱形式：一次封裝散熱和兩次熱沉散熱。通過改善LED照明的自身封裝材料和改變相關結構進行散熱的叫做一次封裝散熱；而通過設計研發改變外部的熱沉結構來進行散熱控制的叫做二次熱沉散熱。因此，要想解決好LED的散熱問題，必須要同時在這兩個方面進行著手控制。

在日常的散熱結構設計過程之中，工作人員通常將多個大功率LED排列在鋁熱沉上，伴隨著科學技術的不斷進步和LED功率的不斷增大，一些新型的熱忱散熱原件相繼出現并發揮著重要的作用。眾多的研究者嘗試用不同的散熱方式進行結合散熱，均取得了一定的研究成果。當前眾多LED路燈示范工程中的LED照明都以全鋁熱沉作為二次熱沉散熱結構。隨著微熱管技術的不斷創新與發展，其應用范圍也不斷擴大并得到了廣泛的認可。

2 不同熱沉結構的大功率LED照明裝置的散熱性能分析

研究表明，大功率的LED照明裝置由于采用的是全鋁熱沉散熱結構，它主要是通過MCPCB板、鋁基板、鋁熱沉肋基的熱傳導和鋁熱沉的熱傳導方式將熱量散發到空氣中來進行散熱[1]。這種結構的熱傳導采用的也是高熱導率金屬鋁合金，需要利用鋁肋片來擴展表面并增強表面傳熱能力，從而更好的達到散熱的效果[2]。

具有微熱管散熱結構的大功率LED照明裝置與第一種散熱結構的根本區別在于，該結構和系統利用了具有非常高的熱導率的微熱管來作為傳導熱量的的介質，同時還設計了多個獨立的極薄鋁翅，這些鋁翅通過穿片的方式來增強大功率LED照明裝置表面的散熱能力；除此之外，各薄鋁翅片均被進行了表面鍍鎳處理，以增強其抗腐蝕能力和使用壽命[3]。

第三種大功率LED照明裝置其自身帶有微熱管—風扇散熱系統。此裝置的大體結構與第二種比較類似，其區別在于它是在原來基礎上增加了溫控儀和風扇系統以采取主動的強迫對流散熱，其工作原理是當器件溫度較低時，風扇不運轉，肋片進行自然對流散熱[4]。

3 大功率LED散熱技術的研究方向及特點

研究表明，大功率LED的散熱情況嚴重影響著LED的發光效率和使用壽命，眾多的研究者和可行性方案的設計過程之中，經濟性和安全性是大家最為關注的兩點。強化散熱的雖然有著其自身的優勢，但是在設備運行上存在較大的誤差，在經濟上也不是非常實用，而且眾多的該種結構的設備都因體積過大加重了其額外的負擔和支出。

在未來LED照明裝置散熱性的問題研究上，如何使散熱結構經濟有效且保證安全成為該技術創新發展的關鍵所在。在現有的材料和科學技術水平下，只有改良散熱結構才能強化裝置的散熱功能，將非穩態的導熱結構、微型導熱機構應用于LED已經成為現今社會照明裝置領域的熱點研究問題。

目前，在大功率LED強化散熱中使用非常普遍的是熱傳導和熱對流，但是，很少有人應用熱輻射技術進行散熱。在散熱技術的發展歷程當中，我們仍將繼續關注熱傳導和熱對流的強化過程，而最可能會為LED的散熱帶來新的突破的是以輻射換熱強化為突破點的復合換熱方式的研究。從結構改造上來講，相對較為認可的散熱解決方案還是在熱沉結構中使用熱管，或是使用改進后的熱管。

目前，基于經濟和材料方面的考慮，減少散熱設備的使用是非常楊浦必要的，而加大對能源的綜合管理能夠有效減少散熱設備的數量及大小，起到節能環保的作用。有一種基于能源管理的有效的新型散熱模式，它通過LED所產生的熱能來獲得輸送熱能的其他能量。因此，在未來LED散熱的技術研發過程中，基于環境保護的宗旨，只有融匯貫通能源綜合管理的理念，綜合考慮能源的充分利用和互相之間的轉化利用才能使散熱裝置達到更好的散熱效果，這不僅有助于散熱設備的簡化，而且進一步提高了設備的穩定性。

參考文獻

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[2]魯祥友，華澤釗，劉美靜，等.基于熱管散熱的大功率LED熱特性測量與分析[J].光電子：激光，2009（1）：5-8.

[3]袁柳林，劉勝，陳明祥，等.基于微通道致冷的大功率LED陣列封裝熱分析[J].半導體光電，2006，27（6）：712-716.

[4]唐政維，黃瓊，趙贊良，等.一種采用半導體致冷的集成大功率LED[J].半導體光電，2007，28（4）：471-473.

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