超高功耗2 400 W LED 投射燈的散熱設計?

左 傳 鄭慶祥 金積德?

(1.現代汽車零部件技術湖北省重點實驗室，武漢理工大學，湖北 武漢 430070；2.汽車零部件技術湖北省協同創新中心，武漢理工大學，湖北 武漢 430070)

LED 作為第四代照明光源，具有可靠性強、響應迅速、適用性好等優點，已被廣泛應用于室內照明、戶外照明中。近年來，隨著高亮度大功率LED芯片技術逐漸被開發出來，市場也逐漸趨向汽車照明、投射探照等大功率照明領域開拓，伴隨而來的散熱問題需要立即獲得解決。

目前LED 照明受制于光電轉換效率不高的特性，造成少部分的電轉成光，大部分的電轉化為熱能，這是產熱的主要原因；再者散熱模組的能力不足會導致積聚更多熱量，溫度升高而影響到光通量、輻射波長、正向電壓等，進而降低LED 燈具的發光效率和縮短芯片壽命。隨著LED 產品應用的高功效、集成化和輕便化，散熱設計成為了提升LED 燈具開發的關鍵要素，高效的散熱設計有利于提升LED 燈具性能，并保證產品的壽命和可靠性。

為了提升LED 燈具的散熱能力，國內外學者做了很多研究，其中Schlitz 等[1]通過實驗發明了一種比風扇更輕、散熱性能比風扇更好的離子風散熱裝置；李小華等[2]針對功率型LED 芯片現有散熱方案的缺陷，設計了一種“針－網”式離子風散熱系統；Ma 等[3]制備了一種多壓電磁性風扇，為LED 燈具散熱提供了一種創新方案。劉永成[4]針對大功率LED 燈具設計了一種雙進雙出結構的射流沖擊水冷散熱器，研究了射流孔直徑及流體體積流量對換熱效果的影響；Chen 等[5]基于CFD 模型分析流體微通道的長寬比和流體流速對LED 燈具散熱性能的影響；Deng 等[6]提出了一種利用液態金屬的主動散熱系統，并通過實驗評估了該系統的散熱性能。但從熱對流模式來看，風冷散熱在構造、價格、可靠性和安全性上均優于液冷散熱；雖然液冷散熱效果顯著，但對于LED 照明應用而言，始終存在泄漏風險、結構復雜、體積大、成本高、可靠度不佳等巨大隱患，商業應用價值不大。

從散熱器的設計和結構來看，Charles 等[7]構造了不同形狀的翅片包括矩形、梯形、倒梯形等；郭凌曦等[8]通過MATLAB 軟件仿真和實驗，研究安裝角度和翅片截面形狀對LED 散熱性能的影響；梁融等[9]在現有的LED 翅片散熱器上，提出斷開開縫式翅片結構；Jeong 等[10]基于響應面分析法(RSM)對水平翅片散熱器形狀進行優化設計，證明在翅片上引入開口能改善散熱器空氣循環；Jang 等[11]提出了一種最佳徑向針翅散熱器的設計方案；丁彩紅等[12]運用正交試驗法綜合分析了各因素對散熱性能的影響程度，得到了翅片參數的最優水平組合。

熱管是一種依靠內部工作液體相變來實現高導熱性能的傳熱元件，其結構簡單緊湊、重量輕、制作方便，傳熱效率和輸熱能力遠超出一般傳熱器件。因此，針對超高功耗LED 投射燈，熱管能夠高效散熱，在分擔散熱任務的同時，減小散熱器體積和重量，熱管和散熱器搭配使用的研究由此展開。Li[13]更提出了一種用于大功率LED 燈具的并聯環形熱管，結果表明不同的工作模式將導致其環路熱管不同的傳熱性能；戴邵碧等[14]設計了一種新型熱管散熱器，發現與傳統重力熱管散熱器相比其傳熱熱阻降低了32%，其工作溫度范圍也得到了一定的提升；王薇等[15]設計了基于平板微熱管陣列的U 型散熱裝置，探索了LED 基板與熱管之間連接方式、U型熱管與散熱翅片之間連接方式、散熱裝置有效散熱面積對大功率LED 燈具散熱效果的影響；Huang等[16]對溝槽熱管散熱器的翅片進行設計來提高LED 車燈的傳熱性能；Singh 等[17]指出和壓鑄散熱器相比，熱管散熱模組能夠輕40%～50%，擁有2 倍～3 倍更高散熱能力。

本文基于傳熱學理論，從熱阻路徑分析LED 燈具傳熱的機制，并以2 400 W超高功耗的遠距LED投射燈為研究對象，在綜合不同散熱方式的對比后，采用強制風冷及熱管散熱器的方式，通過熱分析軟件ANSYS Icepak 對LED 燈具進行建模、熱仿真，利用全面試驗法對散熱模組結構參數進行優化，開發出一款適合此投射燈的新型熱管嵌入式扣fin(翅片)散熱器。目前，市面上千瓦級的LED 照明產品并不多見，而與之匹配的散熱設計更是不易見到；本文選定的熱設計方案，基于投射燈小型輕量化需求，最大程度發揮主動散熱和被動散熱的優勢，最終優化的熱設計方案能夠有效降低LED 結溫，保障LED燈具長時間的工作運轉。

1 理論分析

1.1 傳熱學基礎

所有不同溫度的物體都會發生熱量傳遞，傳遞方向為從溫度高的物體向溫度低的物體傳遞，最終實現熱平衡。物體間相互接觸的熱傳導、流體與物體間的熱對流和以電磁能量傳遞的輻射是三大傳熱方式[18]。

(1)熱傳導

熱傳導過程遵循傅里葉導熱定律，定義公式如下:

式中:Q表示單位時間內在某一面積上通過的熱量，稱為熱流量，單位為W；A表示面積，它位于熱流垂直傳遞的橫截面，單位為m2；?T/?x為物體沿著橫坐標方向溫度的變化率，其中負號表示熱量從高溫物體向低溫物體方向傳遞；ΔT為平板兩個表面的溫差，單位為℃；δ為平板的厚度，單位為m；λ為導熱系數，單位為W/(m·K)，此處的K 可用℃代替，該數值越大，材料導熱能力越強，越容易導熱。

在大功率LED 燈具的導熱設計中，散熱器材料常用鋁或銅，從而得到較好的散熱效果；也可以設計方案來增大導熱面積或者減小傳熱路徑長度，增強導熱能力，但是減小傳熱路徑長度往往受到整體結構散熱要求的限制，可能會減小導熱面積，因此減小傳熱路徑長度需要考慮多種因素，滿足整體散熱要求。

(2)熱對流

熱對流遵循牛頓冷卻定律，公式如下:

式中:Q表示流體流過固體表面的熱流量，單位為W；A為面積，單位為m2；ΔT為流體與物體接觸面的溫差，單位為℃；h為對流換熱系數，單位為W/(m2·K)，體現對流換熱過程的強弱，其大小不僅取決于流體的物理性質、換熱面大小、形狀和布置，還與流體流速等因素密切相關。空氣自然對流的h取值范圍為1～10，氣體強制對流的h取值范圍為20～100，LED 熱設計中要充分發揮散熱器的自然對流散熱能力，就要優化散熱器結構，在此基礎上采用風扇強制對流，會明顯優于自然對流的效果，水冷的對流換熱系數更高，可以考慮在LED 散熱中設計液冷循環系統，但是液冷系統更加復雜，體積大，不便于維護。

(3)熱輻射

對于兩個及以上的物體間熱輻射的凈熱量傳遞可通過斯蒂芬－玻爾茲曼方程計算，公式如下:

式中:q為熱流率，單位為W；ε為實際物體表面的發射率，又稱黑度，取值范圍在0～1 之間，它與物體種類和表面狀況有關；σ是斯蒂芬－玻爾茲曼常數，其數值約為5.67×10－8，單位為W/(m2·K4)；A1是輻射面1 的面積，單位為m2；F12表示從輻射面1 到輻射面2 的形狀系數；T1、T2分別是輻射面1、輻射面2的絕對溫度，單位為K。由此得出，若兩輻射面溫差越大，輻射熱量越多。在LED 散熱模組中，光源的熱量傳到散熱器后，散熱器與周圍環境溫差較小，所以輻射熱量較小，在總體散熱量中占比很小。

1.2 散熱路徑

LED 燈具的散熱管理基本分為三個層次:芯片級、封裝級和系統級。芯片級和封裝級是通過改善材料和制程工藝的方式，降低熱阻，強化導熱效果；而系統級的熱管理是根據應用端的使用環境及條件，設計制作符合其需求的散熱機構，來確保燈具的長效運作。

當電流經LED 芯片導通發光時，大部分熱量會從基板往后方流竄，經散熱模組釋放至周圍環境中，而光源前端的封裝硅膠和透鏡的材料通常為聚合復合材料，其熱導率低、熱阻大，能夠散發的熱量有限，可以忽略不計。

本文所采用的2 400 W LED 光源是某LED 公司的Apollo 2 400 W產品，如圖1 所示。該產品是采用一種新型無導線架(wire-bonding)的封裝方式(Flip-Chip COB，覆晶板集成封裝)，相比于目前的主流SMD(Surface Mounted Devices，表面貼裝器件)封裝或COB(Chip on board，芯片板集成)封裝，無導線架(wire-bonding)的封裝方式，可避免金屬連接線因熱膨脹斷裂引起的風險，實現多芯片的集成化，有利于在較小區域集成COB 光源(即燈具高照度)，散熱面積大(即熱阻小)，熱量迅速從光源內部導出。所以芯片熱量主要向后方傳遞，散熱路徑為:LED 芯?！庠椿濉獙岣唷崞骰濉父唷獰峁堋父唷崞鞒崞饨缈諝?，如圖2三維模型所示。

圖1 LED 光源

圖2 模型結構

LED 散熱模組熱阻網絡圖如圖3 所示，圖3 中，R1為芯粒熱阻，R2光源基板熱阻，R3為導熱膏熱阻，R4為散熱器基板熱阻，R5為焊膏熱阻，R6為熱管熱阻，R7為焊膏熱阻，R8為散熱器翅片熱阻，所以總熱阻為:

圖3 熱阻網絡圖

式中:R為LED 散熱模組總熱阻，T1為芯片溫度，T2為光源基板溫度，T3為導熱膏溫度，T4為散熱器基板溫度，T5為散熱器基板和熱管之間焊膏溫度，T6為熱管溫度，T7為熱管和散熱器翅片之間焊膏溫度，T8為散熱器翅片溫度，T9為環境溫度，Q為LED光源熱功率。R1主要取決于LED 芯粒的制作和封裝，R2、R3、R4、R5和R7主要由材料決定，因為熱管具有熱阻極小的特性，所以R6相較于其他熱阻可以忽略不計，R8取決于散熱器材料和結構參數。本論文主要討論熱管嵌入式扣fin 散熱器結構參數對LED 投射燈散熱性能的影響，因此在其他條件一定的情況下，只需考慮減小R8來提升散熱性能。

散熱器單個肋片熱阻為:

式中:m是肋片系數，H是肋片高度，hfin是肋片對流換熱系數，P是肋片周長，k是肋片導熱系數，Ac是肋片橫截面積。

兩肋片間基板對流換熱熱阻為:

式中:s是肋片間距，L是肋片長度(基板長度)，hbp是基板對流換熱系數。

基板導熱熱阻為:

式中:tb是基板厚度，k是基板導熱系數，A是基板面積。

散熱器總熱阻為[19]:

式中:n為肋片數量，在散熱器基板尺寸確定時，根據肋片間距s和肋片厚度t計算得出。肋片和基板的對流換熱系數增大，可以降低散熱器熱阻，而氣體強制對流比空氣自然對流的對流換熱系數更大，所以選擇風冷方式可以提高散熱能力。

熱量流過兩個相接觸的固體交界面時，由于兩個固體表面不能緊密接觸，中間部分就會存在縫隙，熱量的傳遞過程中，通過縫隙內的氣體以熱傳導方式傳遞，由于空氣的熱導率很低，因此傳遞的熱量很小。這種界面間的傳熱阻力就是接觸熱阻?？梢栽诮佑|界面之間填充熱界面材料，比如導熱膏、導熱墊片等來減小接觸熱阻。

在LED 倒裝封裝技術中，選擇合適的固晶材料，并且在生產工藝中保證足夠小的固晶層厚度，才能顯著降低 LED 封裝熱阻。金錫合金漿料(AuSn20)的導熱系數約為57 W/(m·K)，具有抗腐蝕、易焊接等優點，是如今最適合作為高功率LED燈具的固晶材料。通過共晶焊料焊接技術，得到的共晶焊接層厚度約為3 μm，因此LED 封裝中的固晶層導熱熱阻非常小，這得益于極薄的共晶焊接層厚度和高導熱系數的金錫合金漿料。因此，在LED光源和光源基板之間的接觸熱阻可以忽略不計。

在光源基板和散熱器基板之間，需要考慮接觸熱阻。在接觸面采用導熱膏，填充了交界面的間隙，能夠減小接觸熱阻。

在熱管嵌入式散熱器中，散熱器基板和熱管、熱管和散熱器翅片之間使用商用銀銅錫焊膏來接觸，同樣是為了減小接觸熱阻。

2 仿真分析

分析散熱路徑后，使用ANSYS Icepak 軟件對2 400 W 投射燈進行熱分析。根據散熱路徑來簡化模型，構建了包括光源、光源基板、散熱器基板、18根熱管、137 個散熱器翅片和前后分別8 個風扇(共16 個)的基本模型，X方向寬為160 mm，Z方向長為350 mm，Y方向高為54.8 mm，整個散熱模組體積約為0.003 m3，質量約為6 kg，如圖4 所示。

圖4 簡化模型

在模型各部分材料參數設置方面，按照表1 給定的數據設置。

表1 材料參數設置

LED 是光電器件，其工作過程中一般有15%～25%的電能轉化為光能，其余電能將轉化為熱能。按照較低的電光轉換效率15%來計算，也就是85%的電能將轉換為熱能，所以2 400 W光源的熱損耗為2 040 W。在光源基板和散熱器基板之間，設置厚度為0.1 mm 的導熱膏；在散熱器基板和熱管之間、熱管和散熱器翅片之間設置厚度為0.5 mm 的銀銅錫焊膏；將熱管的導熱系數設置為工程經驗值。各翅片間的初始間距為2.4 mm，各翅片的初始高度為42 mm，散熱器基板的初始高度為10 mm，翅片的初始厚度為0.4 mm，翅片的初始數量為137。一邊采用吹風式風扇，另一邊采用抽風式風扇，導入PQ曲線，最大靜壓值為578.2 Pa，最大流量為0.014 4 m3/s；環境溫度為25 ℃，在這些初始參數條件下最高溫度為71.53 ℃，如圖5 所示。

圖5 初步仿真溫度分布

3 優化設計

3.1 優化參數選擇

根據上述的散熱路徑簡化模型，分別探討每項初始參數對溫度的變化(同時假設在其他參數不變的情況下)。

各翅片間的初始間距為2.4 mm，只改變翅片間距，溫度變化如表2 所示。

表2 翅片間距的溫度變化

各翅片的初始高度為42 mm，溫度變化如表3所示；可見該因素對最高溫度影響不大。

表3 翅片高度的溫度變化

散熱器基板的初始高度為10 mm，溫度變化如表4 所示。

表4 基板高度的溫度變化

翅片初始厚度為0.4 mm，溫度變化如表5 所示。

表5 翅片厚度的溫度變化

翅片的初始數量為137，溫度變化如表6 所示；數量越多，最高溫度反而升高。

表6 翅片數量的溫度變化

3.2 優化設計

在以上五個初始參數中選擇對最高溫度影響較大的參數，并且在選定的參數中選擇最高溫度偏低的幾個，選擇尺寸如下:翅片間距為2.2 mm、2.3 mm、2.4 mm；基板高度為7 mm、8 mm、9 mm；翅片厚度0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm。選擇這三個參數，做27組數據對比，最高溫度結果如表7 所示。

表7 全面試驗表

根據仿真結果，分析各因素對散熱性能影響趨勢以及影響大小，得到影響趨勢如圖6～圖8 所示。

圖6 溫度隨基板高度而變化

圖7 溫度隨翅片間距而變化

圖8 溫度隨翅片厚度而變化

3.3 結果分析

從圖6 中可以看出，隨著基板高度的增加，溫度越來越高。以翅片間距2.2 mm/翅片厚度0.5 mm 為例，溫度變化由68.01 ℃上升到73.21 ℃，極差值為5.2 ℃。從傅里葉導熱定律來分析，物體沿著橫坐標方向溫度的變化率，在工程上則是物體沿著平板厚度方向溫度的變化率，對于一定的熱流量Q，想要使溫差ΔT盡可能小，可以減小平板厚度，也就是說，縮短導熱路徑厚度可以增強導熱能力，所以減小基板高度可以較為顯著地降低最高溫度。考慮到用螺紋緊固件將光源基板安裝到散熱器基板上，光源基板的厚度為2 mm，在散熱器基板上的螺紋孔深度要有2 mm 就可以使得光源基板和散熱器基板更加緊固地連接。熱管半徑為4 mm，嵌在散熱器基板底部，熱管截面圓心在基板底面上，當散熱器基板高度為7 mm 時，基板最小厚度為3 mm；當散熱器基板高度為6 mm 時，基板最小厚度為2 mm。雖然6 mm 的基板高度可以降低最高溫度，如表4 所示，但是此時螺紋緊固件在安裝的過程中，很有可能損壞熱管，進而影響整體散熱效果，所以選擇7 mm 的基板高度。

從圖7 中可以看出，隨著翅片間距的增加，最高溫度先有所減小再增加。當間距較小時，空氣粘滯作用明顯，對對流換熱系數h帶來負作用；隨著間距的增大，粘滯作用減弱，因此最高溫度有所降低；再隨著間距持續增加，翅片數量會減少(即熱交換面積縮減)，使得散熱面積A的作用大于粘滯作用，最高溫度有上升的趨勢。

從圖8 中可以看出，隨著翅片厚度的增加，最高溫度先增加后減小。究其原因:根據牛頓冷卻公式，流體流過固體表面的熱流量Q一定時，散熱面積A與對流換熱系數h的乘積越大，流體與物體接觸面的溫差ΔT越小，散熱性能越好。一方面，隨著翅片厚度增大，空氣粘滯作用明顯，翅片間空氣流動性減弱，使得對流換熱系數h減小，散熱器總熱阻增大，溫度會升高，散熱性能降低；另一方面，因為翅片長度不小以及翅片數量較多，所以翅片散熱面積A有所增加。當翅片厚度小于0.5 mm 時，對流換熱系數h對溫差的影響大于散熱面積A對溫差的影響；當翅片厚度大于0.5 mm 時，散熱面積A對溫差的影響大于對流換熱系數h對溫差的影響。

通過熱仿真軟件ANSYS Icepak 逐步分析散熱器各個參數對散熱效果的影響，并考慮到最佳整體散熱性能，在強制風冷的機制下，熱管嵌入式扣fin散熱器最佳參數如下:翅片高度為42 mm，翅片數量為137，翅片間距2.3 mm，基板高度7 mm，翅片厚度0.6 mm，此時LED 投射燈的最高溫度為63.68 ℃。

4 結論

根據傳熱學理論以及對散熱路徑的研究，通過熱阻網絡法分析投射燈各組成部分熱阻的決定性因素，得出散熱器翅片熱阻對整體熱阻有較大影響，改善結構參數可以減小散熱器翅片熱阻的結論，并且增加翅片間的對流換熱系數也可以降低散熱器熱阻，因此選擇強制風冷來提升散熱器散熱性能。除此以外，熱管具有熱導率高、傳熱能力強的特性，是一種結構簡單緊湊、重量輕的氣液相變傳熱元件，若不使用熱管，散熱器體積將十分龐大，無法滿足2 400 W 這種高熱流密度(Hot Spot)量級投射燈的小型化應用需求，因此采用“強制風冷＋熱管嵌入式扣fin 散熱器”的散熱方案。

在初始散熱器結構參數條件下，LED 投射燈的最高溫度為71.53 ℃，有較好的散熱效果。進一步優化散熱器結構參數，利用全面試驗法探討其翅片間距、厚度以及散熱器基板高度對最高溫度的影響規律后，綜合考慮整體結構和散熱效果，最佳參數如下:翅片高度為42 mm，翅片數量為137，翅片間距2.3 mm，基板高度7 mm，翅片厚度0.6 mm，此時LED 投射燈的最高溫度為63.68 ℃，比優化前的71.53 ℃降低了7.85 ℃，說明該散熱器通過進一步的參數優化，可以得到更好的散熱效果，滿足2 400 W高功率級別投射燈的小型化應用需求。

此款超高功耗(即超高亮度)投射燈具有小型化、輕量化及射距遠的特性，能應用于救災、偵查搜救、軍工等用途，若用于車輛或艦艇上，更能發揮其機動的價值。若用于營救高樓大廈的被困人員，他們可以被迅速觀察識別，進一步凸顯此投射燈的價值。