大功率LED散热结构研究

张征宇，吴湘莲

（嘉兴职业技术学院，机电与汽车分院）

1 引言

发光二极管（light emitting diodes）照明以其高效、节能、环保、应用灵活、寿命长、安全性高等优点，成为白炽灯、荧光灯后的又一新兴光源。近年来大功率LED在日常照明领域不断普及，但随着功率的不断提高，大功率LED 的散热问题也日益突出，成为制约其行业发展的关键因素之一。本文首先从大功率 LED 散热问题入手，对比分析目前市场常见的几种大功率LED散热结构的散热特点，其次提出了大功率 LED 灯具散热的结构优化设计。

2 常见散热结构

LED灯具输入功率为100W，采用高密集COB封装方式，对比如下。

2.1 热管加鳍片设计

从热成像图片（见图1、图2）中可以看出光源基板的温度与散热器界面温度相差2℃。但是光源表面温度为74℃（见图3），光源中的热量还未及时导出，在光源中积聚，影响光源的寿命，造成光衰。鳍片加热管散热的这种结构需要在灯具内部完成安装，对于灯具的外形尺寸有严格的要求，不易于成型各种结构尺寸。

2.2 均温板加鳍片散热

从红外成像仪（见图4、图5、图6）中可以看出光源表面温度与散热器周边温度相差30℃。光源中的热量未能及时扩散出来，散热的均匀性不好。由于外设散热鳍片，灯具的整体重量增加，在灯具安装使用过程存在安全隐患。

2.3 LED路灯散热器一体化设计

2.3.1 有限元分析基础

三维直角坐标系中的瞬态温度场场变量T（x, y, z, t）满足：

图1 光源基板温度

图2 散热器界面温度

图3 光源表面温度

图4 光源基板温度

图5 散热器界面温度

图6 光源表面温度

——媒介传导速率。

则（1）式可简化为：

由公式（3）确定的边界条件与初始条件，利用迭代法或者消去法求解，得出热分析结果。

2.3.2 散热模型

LED灯具输入功率为100W，采用高密集COB封装方式，传热与散热一体化薄板型散热器件的稳态温度场如图7、图8、图9所示。

从红外热成像仪中可以看出虽光源中心温度与周边温度相差9℃，但是光源表面的温度仅为69℃，热量基本导出，散热效果非常好。由于散热器件的散热效果比较好就无需笨重的外壳来辅助散热，因此外壳采用PC材质，相比与传统散热器无安全隐患，散热效果大大改善。

3 结束语

从以上对比得到采用传热与散热一体化设计的薄板型散热器件有以下明显的优势。

1）与传统压铸型铝沉散热器和型材铝散热器相比，其重量可减轻3～6倍，在降低材料成本的同时便于安装；

2）与热管散热器相比其重量也降低了1～2倍，在大功率LED 照明器件上其重量降低尤为明显；

3）与传统热管散热器相比，其传热结合界面从热管散热器的3～4个结合界面减少到1个，其传热热阻大幅度降低；

4）不存在常用热管的传热密度低、低温冻凝、向下传热能力低下等缺陷，其后期维护优势明显。

图7 光源基板温度

图8 散热器界面温度

图9 光源表面温度

【1】Arik M, Petroski J, Weaver S. Thermal challenges in the future generation solid state lighting applications∶ Light emitting diodes[J].IEEE Intersociety Conf. Thermal Phenomena awaii，2002：113-120.

【2】Arik M,Weaver S. Chip scale thermal management of high brightness LED packages[J]. Proc.of SPIE，2004，55（3）：214-223.

【3】戴炜锋，王珺，李越生.大功率LED封装的温度场和热应力分布的分析[J].半导体光电，2008，29（3）：324-328.

【4】钱可元，郑代顺，罗毅.GaN基功率型LED芯片散热性能测试与分析[J].半导体光电，2006，27（3）：236-239.