大功率白光LED应用中的辐射散热技术研究

吴中林，徐华斌，占美琼

（上海第二工业大学理学院，上海 201209）

大功率白光LED应用中的辐射散热技术研究

吴中林，徐华斌，占美琼

（上海第二工业大学理学院，上海 201209）

大功率白光LED热问题的解决是保障其正常工作的重要条件。研究了室内半导体照明中的辐射散热技术，分析了不同发射率表面的辐射能力随温度变化的关系。结果表明，在没有对流散热的情况下，室内白光LED吸顶灯可通过辐射的方法进行散热。辐射成为半导体照明灯具散热的一个不可忽视的有效途径。

白光；LED；照明；散热；辐射

0 引言

半导体技术已经改变了世界，而半导体照明技术将再一次改变我们的世界。随着GaN基蓝光LED芯片生长技术的飞跃发展，大功率白光LED的发光效率从本世纪初的30 lm/W迅速提升到目前的120 lm/W以上，而实验室更是高达230 lm/W，其发光效率超过了所有的传统白光光源。这种新型的固态照明光源正在逐步取代现有的白炽灯、荧光灯及高压气体放电灯，成为21世纪可以进入普通照明领域的首选光源。然而，大功率半导体光源属于电流注入型的半导体发光器件，在发光的同时也产生热量。随着结温的升高，芯片内部载流子的有效复合几率下降，导致发光效率下降，同时荧光粉也会因芯片温度升高而加速老化，光衰加重。研究表明，当温度超过一定值时，器件的失效率将呈指数规律攀升，当结温超过一定的界限（一般是105 ℃）时，甚至会造成芯片的永久性损坏。如何有效地把芯片发出的热及时导出并散发出去，成为大功率LED光源能否正常工作的关键问题[1-3]。大功率LED灯具一般采用由铝合金拉制成的齿条状的散热器，在有空气流动的环境下具有良好的散热效果，但如果把这种散热器用在室内LED吸顶灯里，传导和对流散热则无法进行[4]。因此，应重新设计在这种环境下工作的LED灯具散热器，依靠辐射方式进行散热。

1 辐射散热的基本原理

物体通过电磁波来传递热的方式称为辐射。自然界中各种物体都在不停地向其周围空间发出热辐射，同时也在吸收其他物体发来的热辐射，当发射和吸收的热量不相等时就形成了物体间的辐射传热。

实际物体的辐射能力都小于同温度下的黑体，它们辐射的热量遵循斯忒藩-波尔兹曼定律的经验公式[5]：

式中：A为辐射物体的表面积；σ为斯忒藩-波尔兹曼常数，其值为5.67×10-8W/m2·K4；T为物体的热力学温度；ε为物体的发射率，它的值小于1，与物体的种类及其表面状态有关。散热器在向周围辐射热量的同时也吸收周围环境物体对自己的辐射且吸收的辐射热也符合式(1)，因此，散热器通过辐射方式散发的热量为

式中T1为散热器表面的温度，T2为环境温度。

2 辐射散热方法在大功率LED照明中的作用分析

2.1 材料及其表面特性对散热量的影响

根据斯忒藩-波尔兹曼定律，物体表面的散热量与它的发射率成正比例关系，而不同的物体具有不同的发射率。一般来讲，非金属的发射率比金属的发射率高；粗糙的表面发射率比光滑的表面高；氧化物表面的发射率比纯金属表面高；深色的表面发射率比浅色的表面高。表1为一些材料在特定温度下的表面发射率。

表1 一些与LED散热相关材料的表面发射率Tab.1 Surface radiation ratio of some material relating to LED heat diffusion

由表中数据可知，尽管铝具有较高的导热系数，但磨光的铝表面发射率很低，氧化的铝合金表面发射率也不高，因此，用铝合金作为室内LED吸顶灯的散热器，在对流散热不畅通的情况下，必须采用增加表面红外发射率的涂料涂敷在散热器翅片上，以提高散热器的辐射散热能力。

在设计室内半导体照明灯具时，我们还可以采用陶瓷、导热工程塑料等非金属材料制作散热器，充分利用这些材料的高表面发射率，通过辐射的方式进行散热，同时应注意尽量展开散热器翅片并增加其表面积，以达到最佳辐射散热效果。

2.2 辐射散热量与散热器表面温度的关系

对于一定功率的半导体照明灯具，如果仅通过辐射方式散热就能使芯片工作在安全的温度以内，这种灯具的性能及使用寿命就很容易得到保障。由公式(2)可知，辐射散热量与散热器表面的热力学温度成四次方比例关系。在室内照明场合，假定环境温度为30℃，对于表面发射率分别为0.3、0.6和0.9的不同材料的散热面，单位面积的辐射散热量随温度变化的关系曲线如图1所示。

图1 辐射力随温度的变化关系Fig. 1 Relation between radiation energy and temperature

在实际的室内半导体照明灯具中，芯片的结温最高不超过80℃，考虑到芯片封装、LED与铝基板、铝基板与散热器之间的热阻[6,7]，以及散热器本身热传导所形成的热阻，把芯片与散热器表面的温差设定为15℃，则散热器表面的温度为65℃。这种温度不会对周围环境造成热损伤。从图1可知，表面发射率为0.9的散热面，当其表面温度为65℃时，它的辐射力可达到235 W/m2，由此可以推算出一个直径为30 cm、发光通量为1 500 LM的15 W大功率LED室内吸顶灯，同等条件下的辐射散热量为16.6 W，因此，仅考虑辐射散热的方法就能够散发LED工作过程中所产生的热量。

3 结论

解决半导体照明中的热问题是保障LED芯片正常工作的首要前提。热是通过传导、对流和辐射三种途径来进行交换的。在室内半导体照明场合，空气流动不够强劲，对流换热比较微弱，而散热器上面的热量又不能传导到其他物体上，因此，辐射散热方法就显得尤为重要，成为白光LED室内照明灯具散热、对外界进行热交换的一个不可忽视的有效途径。

[1] 田传军, 张希艳, 邹军等. 温度对大功率LED照明系统光电参数的影响[J]. 发光学报, 2010, 31(1): 96-100.

[2] 张淑芳, 方亮, 付光宗等. 导热涂层对LED散热性能的影响[J]. 半导体光电, 2007, 28(6):793-796.

[3] 马璐, 刘静. 高功率LED热管理方法研究最新进展[J]. 半导体光电, 2010, 31(1):8-15.

[4] 杨光. 道路照明中大功率LED路灯散热方案的研究[J]. 照明工程学报, 2010, 21(1): 40-47.

[5] 杨世铭, 陶文铨. 传热学 [M]. (第四版). 北京: 高等教育出版社，2006.

[6] 李鹏. LED灯具的热分析与散热设计[J]. 中国照明电器, 2008(12): 17-19.

[7] 齐昆, 陈旭. 大功率LED封装界面材料的热分析[J]. 电子与封装, 2007, 7(6):8-12.

Research on the Technology of Radiation Heat Diffusion in the Application of Large Power White LED

WU Zhong-lin, XU Hua-bin, ZHAN Mei-qiong
(School of Science, Shanghai Second Polytechnic University, Shanghai 201209, P. R. China)

Effective heat diffusion is important condition for large power LED lighting. The radiation heat diffusion technology of LED lighting indoors is researched. The surface radiation energy of several different radiation ratio is analyzed in different temperature. The results show that the heat of LED lamp on ceiling may be diffused by radiation without convection. Radiation becomes a not neglected effective heat diffusion method in semiconductor illumination.

white light; LED; illumination; heat diffusion; radiation

TN312.8

A

1001-4543(2011)03-0204-03

2011-06-05;

2011-08-22

吴中林（1963－），男，江苏东台人，副教授，博士，主要从事高功率光纤激光和半导体照明方面的技术研究，电子邮箱zlwu@sf.sspu.cn。

上海市教委创新项目资助（No.09YZ450）