應用石墨烯材料的大功率LED散熱仿真

龔 美，陳益民

（廣東工業大學，廣東廣州 510006）

0 引言

LED燈是一種高效高節能、綠色環保的電子器件。LED燈具已被廣泛應用于家庭照明、交通信號燈、電視屏幕、汽車車燈等。在照明市場占據著越來越重要的地位。但是，隨著單顆燈珠功率增加以及封裝密度增加，經過長時間的工作后，面臨著LED結溫熱積聚的問題，結溫升高將導致燈具工作不穩定，出光效率降低以及照明壽命減小等問題。研究發現，大約七成的LED燈具失效由于結溫過高導致，當結溫大于一定值時，燈具的失效率將呈指數規律上升，結溫每上升2℃，燈具的可靠性就下降10%[1]。因此，使用高導熱材料將LED結溫處的溫度導出來顯得尤為重要。

LED燈具的散熱方式分為兩大類：主動式散熱和被動式散熱。常見的主動式散熱有：風冷散熱，液冷散熱，壓縮機制冷散熱，電子制冷散熱。被動式散熱主要的兩種方式是肋片散熱和熱管散熱。被動式散熱是目前LED燈具采用最廣泛的一種散熱方式，LED燈封裝結構里包含有燈珠、散熱墊、熱沉、散熱器以及導熱硅膠墊。由于這些封裝材料的導熱系數低，熱阻大，導致散熱成為一大瓶頸。優異的高導熱材料是解決電子器件和設備散熱的關鍵。自從2004年英國曼切斯特大學采用剝離法制得石墨烯材料后，石墨烯材料的強大散熱性能得到廣泛重視，石墨烯開始應用于電子器件的散熱。當石墨膜嵌入石墨烯時可使石墨散熱膜材料具有高達近2 200 W/(m·K)[2]以上的導熱系數。目前的很多手機的散熱片都是用石墨材料制成[3]，像華為石墨烯基鋰離子電池里面的“石墨烯”用于提升鋰離子電池散熱效果。石墨烯改善散熱的主要是因為它在平面內極高的導熱率從而將熱源處的溫度能快速導出和石墨表面增強紅外線輻射散熱效果。研究石墨烯優良的導熱性能，將石墨烯與鋁散熱器基底進行結合進行熱仿真分析，研究了石墨烯對于降低LED結溫的效果。

1 改進的LED散熱器結構

常見的散熱器有擠壓的型材散熱器、焊接散熱器、叉翅散熱器、針狀散熱器四類。其中擠壓的型材散熱器在LED散熱占據很大的市場。燈芯產生的熱量借助于散熱器以及空氣自然對流擴散到空氣中，具有結構簡單、輸入功率低、成本低以及壽命長等優點。不足點是鋁散熱器的導熱率比較低，只有270 W/(m·K)。銅散熱器的導熱系數雖高，但由于密度大導致過重，石墨散熱器和陶瓷散熱器的散熱效果很好，但由于價格昂貴一直沒有得到推廣。本文綜合石墨材料的高導熱率，將其與鋁散熱器的基底相結合。采用熱分析軟件ANSYS ICEPAK對其進行熱仿真分析。

1.1 石墨烯導熱機理

圖1為石墨晶體的結構，每個碳原子都是以sp2雜化軌道與旁邊的其他三個碳原子形成化學共價單鍵，構成一個網狀的六元環結構，單層石墨烯就是結構就是由這些六元環結構連接而。在單層石墨烯結構中每個碳原子會剩余一個未被sp2雜化的p軌道，其中有一個p電子沒有配對，在單層石墨烯中，碳原子中的m電子組合成一個具有m中心m電子的大∏鍵，這些離域電子能夠在碳原子平面層中自由活動，因此石墨烯在層向具有良好的導熱導電性質性能，石墨單晶的平面導熱系數可達2 200 W/(m·K)。另外，石墨還具有良好的機械性能、密度小、熱膨脹系數小等優點。因此，石墨烯的高導熱潛能將極大改善電子器件散熱問題[4]。

石墨烯是由碳原子結合成納米薄膜，是一種層狀結構化合物。具有金屬材料的特性，導電導熱性能都很好。其中導熱性能主要是由晶格震動引起。作為優良的傳熱材料，源于石墨烯獨特的碳原子分子結構使材料在平面的二維方向具有很強的導熱性，石墨烯的片層結構能夠適應各類材料表面。石墨烯通過特殊的聲子模式實現熱傳輸，石墨烯有六種極性聲子。其中參與熱量傳播的主要是3種聲學聲子，即低頻的縱向聲學聲子（LA模聲子）、高頻的橫向聲學聲子（TA模聲子）、平面外聲學聲子（ZA模聲子），前兩個是面內傳輸模式，有著線性的散射關系，后者是面外傳輸模式，存在非線性的二次散射關系[4]。聲子的散熱關系以及傳輸方式對石墨烯的熱導率有很大影響，熱導率主要由聲子的頻率、自由程、作用過程等因素決定。石墨烯的熱傳遞過程中，為聲子從高濃度熱端向低濃度冷端的擴散過程。對于單層大尺寸石墨烯，導熱系數可由下式（1）：

式（1）中：C為單位體積的熱容，V為聲子傳播速度，L為聲子的平均自由程[5]。理想的單層石墨烯厚度可達0.35μm，圖2是單層石墨烯結構圖。

圖1 石墨晶格結構

圖2 單層石墨烯結構

1.2 新型LED燈散熱結構

圖3 為新型LED燈散熱結構的示意圖，從上往下依次為：LED燈，散熱墊、銅板、導熱硅膠、石墨烯導熱介質、鋁散熱器。燈源為單顆5 W大功率燈珠，有效發光效率為20%，發熱功率為4 W，環境溫度為25℃，散熱器采用鋁擠壓型材料，長寬均度為6 cm，散熱器基底厚度為2 mm，散熱翅片高度為10 mm，厚度為0.8 mm，共24片肋片；石墨烯導熱介質平鋪并緊貼在散熱器基底的上表面，在這里忽略了石墨烯和散熱器之間的接觸熱阻，水平導熱系數為2 200 W/(m·K)，垂直導熱系數為25 W/(m·K)[6]。其中LED的基本傳熱路徑為：LED燈芯—散熱墊-銅板-石墨烯-散熱器-空氣。石墨烯具備優良的導熱性能，可將LED結溫快速均勻地傳導到散熱器表面，經過散熱器與空氣對流方式傳遞到空氣中。

圖3 新型單顆LED燈結構

為了滿足大功率LED的光照要求，比如路燈、車燈、背光屏等都是采用多顆LED模型。因此，為了充分研究石墨烯對LED燈散熱的效果以及燈之間的相互影響。在單顆LED燈結構的基礎上，增加燈珠個數、增大PCB板、散熱器尺寸以及散熱片數目，LED燈均勻排成陣列式，由四顆相同的LED燈均勻分布在PCB板上，其他的條件設置與單顆燈珠模型一致。模型如圖4所示。

圖4 四顆陣列式LED燈結構

2 散熱仿真結果及分析

為了便于分析比較，設置多組石墨烯厚度值。比較不同厚度石墨烯對降低結溫的效果，并由此得出最佳的石墨烯厚度。采用熱分析軟件ANSYS ICEPAK進行仿真分析。在ICEPAK15.0版本中建立LED散熱仿真模型，主要由LED燈、導熱介質和散熱器組成。考慮到LED內部熱阻是一穩定值，因此，把模型中每個LED看成一個熱源，忽略LED每部結構，將每個LED燈設置為溫度監控點。采用自然對流模式，空氣的自然對流系數取平均值7.5 W/(m·K)[7]。室溫設置為25℃，石墨烯水平導熱系數2 200 W/(m K)，垂直導熱系數為20 W/(m·K)，硅膠導熱墊水平導熱系數和垂直導熱系數均為4 W/(m·K)。

2.1 單顆燈珠的熱學仿真

圖5顯示的是單顆LED燈珠在無石墨烯時的模型仿真結果，可以得出結溫是103.321℃。圖6是在石墨烯厚度為300μm的仿真結果圖。通過設置不同石墨烯厚度進行仿真，結果如圖8所示，其中橫坐標為石墨烯厚度，縱坐標為溫度。

圖5 無石墨烯LED仿真結果

圖6 石墨烯500μm時LED仿真結果

2.2 多顆燈珠的熱學仿真

同理，可以得出陣列式LED的仿真結果圖。圖8顯示的是4顆LED燈珠在無石墨烯時的模型仿真結果，可以得出結溫是109.557℃。圖9是在石墨烯厚度為300μm的仿真結果圖。通過設置石墨烯不同厚度下的仿真，結果如圖10所示，其中橫坐標為石墨烯厚度，縱坐標為溫度。

圖7 不同石墨烯厚度的結溫值

圖8 無石墨烯LED仿真結果

圖9 石墨烯300μm時LED仿真結果

圖10 不同厚度石墨烯下的結溫值

2.3 仿真結果分析

從仿真結果的數據可知，不管是單顆燈珠還是多顆燈珠模型，石墨烯對LED散熱優化效果都比較理想，總體可以降低15℃～20℃左右，從圖3可得出，當石墨烯的厚度200μm～300μm之間時，結溫下降最多，可以達到18℃。其他的厚度可使溫度下降15℃。這是因為石墨烯過薄時，對于小模型的LED燈發出的熱量存儲熱量有限，LED產熱速度大于散熱速度，石墨烯來不及將熱量傳導至散熱器；隨著石墨烯厚度增加時，石墨烯的總體熱容量隨之增加，使溫度有所下降；當石墨烯厚度繼續增加，會導致熱阻增加，阻礙熱量的傳遞。從圖10可知石墨烯厚度對降低結溫的效果差異很小，因為此時石墨烯的面積足夠大，可以足夠存儲LED燈傳導出來的熱量。

當忽略了石墨烯與散熱器之間粘接熱阻的情況下，在使用石墨烯材料加強散熱后，通過對單顆燈珠和多顆燈珠的仿真分析，可初步得出：石墨烯對降低LED結溫效果明顯，很有發展潛能。石墨烯散熱的效果和石墨烯的厚度之間關聯性較小。在考慮經濟性的原則下，當制造石墨烯納米材料工藝足夠成熟時，只需在散熱器基底鍍上納米厚度的石墨烯便可以改善散熱效果。實驗還對相同面積不同石墨烯形狀進行了溫度比對，發現形狀的改變對散熱效果的影響不大，圓形石墨烯比矩形石墨烯散熱效果稍微好點。

3 結論

本文從石墨烯材料的散熱原理出發，將石墨烯與鋁散熱器基板上表面結合，通過熱仿真分析方法對兩種LED燈具模型進行熱仿真分析。通過分析仿真結果可得出：在散熱器基底上表面增加石墨烯材料后，由于石墨烯材料在平面二維方向上的的超高導熱率，能大力改善鋁散熱器結構的散熱效果，相比沒有使用石墨烯的LED燈模型，使用石墨烯材料可使LED結溫降低15℃以上。在納米厚度級別下，不同厚度石墨烯的散熱效果相差不大，因此，在考慮經濟的前提下，只需在散熱器基底鍍上一層很薄的石墨烯即可改善散熱效果,這將為LED散熱在石墨烯材料的實際應用中，要想充分發揮石墨烯的高熱導率對LED結溫的改善作用必須進一步研究石墨烯材料與金屬材料的結合形式。

［1］ Yang Chu， Jin Shangzhong， Shao Maofeng， et al.Reasearch LED performance of glass substrate with COB packaging ［J］. laser&Optoelectronics Progress，2015，529（01）：012304.

［2］ He Fan，Chen Qiyong，Liu Juanfang，et al.Therm-al analysis of high mast integrated LED Lamp with new heat?sink structure of laminated pure aluminum plate［J］.Chinese Journal of lumines-Cence， 2014， 35 （6）：743-747.

［3］史文學，張雙喜，陶冶，等.幾種類型散熱器高度對散熱量影響的試驗研究［J］.建筑節能，2013，12（41）：12-25.

［4］楊光.道路照明中大功率LED路燈散熱方案的研究［J］.照明工程學報，2010，21（1）：40-47.

［5］ Liu Sheng，Chen Qinghua，Cai Weiwei，et al.Thermal studies of high-power with cold spray technology［J］.Mater Revres，2012，26（6）：158.

［6］Zhang Yin，Shi Fenghua，Xu Wenfei，et al.High-Pow?er white LED packaging technology ［J］.Illuminating Eng J，2012，23（3）：52.

［7］郭凌曦，左敦穩，孫玉利，等.LED散熱技術及其研究進展［J］.照明工程學報，2013，24（4）：64-70.