LED灯具的散热——LED知识（八）

施克孝

（中广国际建筑设计研究院，北京 100034）

有些读者可能认为，LED是冷光源，怎么会有热量需要散出呢？其实，LED被称为冷光源，是指它的光谱不像白炽灯光谱中那样有大量的红外线，特别是灼热“烤脸”的近红外线。另外，虽然目前LED光源整体功率还不算大，但换算成单位体积发热量时，却远远超过其他光源。

判断一种光源是不是发热，要看它的输入能量有多少变成了可见光，有多少变成了热量了。变成可见光的能量越多，发热就越少。如果能做到把全部电能都转换成可见光，那么LED就不再散发热量。当然，驱动电源还会有少量热量散发，这部分热量与LED光源相比是很少的。

LED光源是把电能转换成光能的半导体器件。目前，大功率LED光源将电变成光的效率大约为30%，剩下的70%左右都变成了热量。这么多的热量如果不及时散发出去，不仅使LED光源的发光效率降低、使用寿命缩短，严重时还会烧毁LED芯片的P-N结，使灯具损坏。

LED光源P-N结处的温度称为“结温”，用TJ表示。结温不同，出光率也就不同。美国Lumileds Lighting公司K2系列大功率白光LED的结温与出光率的关系如图1所示。

参见图1，在结温为25℃时，一般定义此时的出光率为100%；当结温为75℃时，LED发光量为结温25℃时发光量的90%（出光率为90%）；当结温为120℃时，LED发光量为结温25℃时发光量的80%（出光率为80%）。这就是说，LED的P-N结温度降低，不但能大大延长LED的有效寿命，还能提高出光率。因此，在大功率LED灯具设计中最主要的工作有两项，一项是灯具的光路设计，另一项就是散热设计。

图1 K2结温与出光率的关系曲线

下面分几步谈LED灯具的散热问题。

1 热阻

在自然界中，热总是从温度高的地方向温度低的地方传递。在热的传递过程中，各种材料的导热性能是不同的。LED芯片的面积一般很小，即使是大功率的LED，其芯片面积也只有1mm2左右。大功率LED的结构如图2所示。因此，为了散热，LED芯片要粘接在一个散热基片上。

材料导热性能的快与慢，通常用热阻R来表示，它的单位是℃/W。 所谓热阻，就是器件对散热所产生的的阻力。热阻的定义为：在热平衡状态下，两种材料之间或两个部位之间的温度差，与热耗散功率之比，也就是每一瓦电功率的温差是多少。温差越小，说明导热越快，导热性能越好。例如，一个100 W的LED芯片与散热器之间温度差为80℃，那么，LED芯片与散热器之间的热阻就是0.8 ℃/W。

从面积小的材料向面积大的材料散热的热阻（如P-N结到散热基片的热阻）叫做扩散热阻。它的大小除与材料的导热率有关外，还与接触面积和形状有关。在面积一定的条件下，矩形的扩散热阻低于方形的，椭圆形的热阻小于圆形的。从加工工艺等各种因素考虑，一般LED芯片是方形的，散热基片是圆形的。

在考虑散热时，大功率LED芯片、粘接材料、散热基片、封装材料通常作为一个整体。它粘接在一个基板上，基板再与散热器相连。因此，LED灯具的散热路径是：LED芯片→基板→散热器→空气。

多年以来，科学家一直在寻找导热更快的材料及导热方法。

2 热管

热管技术，因1963年美国国家实验室发明的一种称为“热管”的传热元件而得名。它最初是用在人造地球卫星上的一种导热方法。热管的热阻极小，导热能力远远超过任何已知金属，是铜材导热能力的100倍以上。热管技术现已从宇航、军工领域走向散热器制造业。它改变了散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量风机来获得更好散热的单一散热模式。采用热管技术使得散热器可以采用低速风机甚至不用风机就可以解决大功率LED灯具的散热问题。这对要求低噪声环境的场所（例如电视台的新闻演播室等）具有重要意义。

热管的工作原理如图3示。

热管由管壳、吸液芯和液体介质组成。热管内部被抽成负压状态，充入适当的液体介质，这种液体要求沸点低，容易挥发。管壁内装有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管的一端为蒸发端，另一端为冷凝端。当热管的蒸发端受热时，吸液芯中的液体迅速蒸发汽化，汽化过程大量吸收热量（汽化热），蒸汽在微小的压力差下流向冷凝端，释放出热量，并重新凝结成液体，液化过程大量释放热量（液化热），液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回到蒸发端，如此循环不止，热量由一端传至另一端。这种循环是快速进行的，热量可以源源不断地传递。笔者曾拿一根直径6 mm的热管插入60℃的水中，立刻烫手，感觉不到时间差，可见热管的导热极快。

图2 大功率LED的结构

图3 热管的工作原理

成品的热管如图4所示，它的蒸发端有一个与散热体接触的平面，冷凝端一般都带有鳍片，以增加散热效果。

图4 热管加鳍片散热

3 散热途径

LED光源的散热途径有3种，分别是热传导、热对流和热辐射。热传导主要发生在LED芯片与基板、散热器之间，热对流主要发生在散热器和周围的空气之间，热辐射是指散热器向周围空气以红外线的形式散发热量。一般情况下，热传导及热对流是LED灯具的主要散热途径。

按散热方式划分，又分为主动散热和被动散热。主动散热方式包括加装风扇强制散热、水冷散热、半导体制冷芯片散热。大功率LED灯具最常采用的强制散热方式就是加装风扇，使空气快速流动带走散热器上的热量。水冷散热和半导体制冷芯片散热方式因为需要额外消耗更多电能，并增加其他结构，使散热成本上升，因此，在LED灯具中不予采用。

LED灯具主要有两种被动散热方法：

（1）自然散热：自然散热采用热传导、热对流及热辐射作为基本的散热原理。它主要是用热传导把热从芯片传到基板，再传到散热器，然后通过散热器的鳍片与周围空气的对流实现散热。

图5 LED灯具的热阻

自然散热的优点是散热成本低，结构简单。但这种方式因散热效率低，只适合小功率LED灯具。

（2）热管加鳍片：如前所述，热管是一种新型高效的传热元件，具有紧凑、可靠、高效、寿命长、免维护等优点。一根直径为6 mm的圆形热管可以实现30 W～40 W功率的散热量。100 W～120 W的大功率LED灯具，使用3～4根6 mm圆形热管，制冷端加鳍片，就可以很好地解决散热问题。

图5为一台LED灯具的简化图，其中红色竖向长方块表示LED芯片，结温为TJA；粉色竖向长方块表示基板，温度为TJB；灯具最后端表面温度为TJC； 灯具周围空气（距散热片3 mm）的温度为TJD。总热阻就是三个热阻之和，即：

式中：

RZ—总热阻，℃/W

RAB—从LED芯片到基板的热阻，℃/W

RBC—从基板到灯具最后端表面的热阻，℃/W

RCD—从灯具最后端表面到空气的热阻，℃/W

从LED芯片到空气（即环境温度）的总温差等于总热阻与LED芯片功率的乘积，即：

式中：

△T — 从LED芯片到空气的总温差，℃

RZ— 总热阻，℃/W

P— LED芯片的功率，W

总温差与总热阻成正比，总热阻越小，总温差也就越小，说明介质的导热性能越好。例如，最近飞利浦公司推出一款130 W的LED灯具（含红、绿、蓝、白4种颜色），红色芯片（30 W）、绿色芯片（48 W）结温到散热片的热阻为0.80 ℃/W，蓝色芯片（33 W）结温到散热片的热阻为1.2 ℃/W，白色芯片（32 W）结温到散热片的热阻为0.83 ℃/W。这样可以计算出4色LED的P-N结点到散热片的温差：

红色芯片： △TH= 0.80×30 =24℃

绿色芯片： △TG= 0.80×48 =38.4℃

蓝色芯片： △TB= 1.2×33 = 39.6℃

白色芯片： △TW= 0.83×32 = 26.56℃

式中：

△TH— —红色芯片的P-N结到散热片的温差，℃

△TG— —绿色芯片的P-N结到散热片的温差，℃

△TB— —蓝色芯片的P-N结到散热片的温差，℃

△TW— —白色芯片的P-N结到散热片的温差，℃

由此可见，如果散热片的温度是60℃（正常情况下散热片的温度不应超过这个温度），LED芯片的结点温度还不到100℃。因为热阻较以前有了大幅度的降低，所以很有利于提高LED的光效及寿命。飞利浦公司称该款灯具的芯片寿命超过60 000 h。

最近，佛山飞达影视器材有限公司推出一款200 W的LED灯具，由于从芯片到基板采用了新型的散热技术，并在基板后使用了热管及低噪声风扇，使总热阻变得非常小。在环境温度为30℃的条件下，灯体温度不超过45℃，LED基板焊点温度不超过55℃。这样，就确保了灯具的高光效及长寿命。

由此可见，减小各个环节的热阻是制造商在大功率LED灯具设计中需要重点攻关的课题，这涉及到灯具效率、光源寿命等多项指标。可以说，灯具散热的好坏，是决定灯具生命力的重要因素之一。

［1］杨清德，杨兰云. LED及其应用技术问答. 北京：电子工业出版社，2011

［2］周志敏，纪爱华. 大功率LED照明技术设计与应用. 北京：电子工业出版社，2011

［3］方志烈. 半导体照明技术. 北京：电子工业出版社，2009