超高功耗2 400 W LED 投射灯的散热设计∗

左 传 郑庆祥 金积德∗

(1.现代汽车零部件技术湖北省重点实验室，武汉理工大学，湖北 武汉 430070；2.汽车零部件技术湖北省协同创新中心，武汉理工大学，湖北 武汉 430070)

LED 作为第四代照明光源，具有可靠性强、响应迅速、适用性好等优点，已被广泛应用于室内照明、户外照明中。近年来，随着高亮度大功率LED芯片技术逐渐被开发出来，市场也逐渐趋向汽车照明、投射探照等大功率照明领域开拓，伴随而来的散热问题需要立即获得解决。

目前LED 照明受制于光电转换效率不高的特性，造成少部分的电转成光，大部分的电转化为热能，这是产热的主要原因；再者散热模组的能力不足会导致积聚更多热量，温度升高而影响到光通量、辐射波长、正向电压等，进而降低LED 灯具的发光效率和缩短芯片寿命。随着LED 产品应用的高功效、集成化和轻便化，散热设计成为了提升LED 灯具开发的关键要素，高效的散热设计有利于提升LED 灯具性能，并保证产品的寿命和可靠性。

为了提升LED 灯具的散热能力，国内外学者做了很多研究，其中Schlitz 等[1]通过实验发明了一种比风扇更轻、散热性能比风扇更好的离子风散热装置；李小华等[2]针对功率型LED 芯片现有散热方案的缺陷，设计了一种“针－网”式离子风散热系统；Ma 等[3]制备了一种多压电磁性风扇，为LED 灯具散热提供了一种创新方案。刘永成[4]针对大功率LED 灯具设计了一种双进双出结构的射流冲击水冷散热器，研究了射流孔直径及流体体积流量对换热效果的影响；Chen 等[5]基于CFD 模型分析流体微通道的长宽比和流体流速对LED 灯具散热性能的影响；Deng 等[6]提出了一种利用液态金属的主动散热系统，并通过实验评估了该系统的散热性能。但从热对流模式来看，风冷散热在构造、价格、可靠性和安全性上均优于液冷散热；虽然液冷散热效果显着，但对于LED 照明应用而言，始终存在泄漏风险、结构复杂、体积大、成本高、可靠度不佳等巨大隐患，商业应用价值不大。

从散热器的设计和结构来看，Charles 等[7]构造了不同形状的翅片包括矩形、梯形、倒梯形等；郭凌曦等[8]通过MATLAB 软件仿真和实验，研究安装角度和翅片截面形状对LED 散热性能的影响；梁融等[9]在现有的LED 翅片散热器上，提出断开开缝式翅片结构；Jeong 等[10]基于响应面分析法(RSM)对水平翅片散热器形状进行优化设计，证明在翅片上引入开口能改善散热器空气循环；Jang 等[11]提出了一种最佳径向针翅散热器的设计方案；丁彩红等[12]运用正交试验法综合分析了各因素对散热性能的影响程度，得到了翅片参数的最优水平组合。

热管是一种依靠内部工作液体相变来实现高导热性能的传热元件，其结构简单紧凑、重量轻、制作方便，传热效率和输热能力远超出一般传热器件。因此，针对超高功耗LED 投射灯，热管能够高效散热，在分担散热任务的同时，减小散热器体积和重量，热管和散热器搭配使用的研究由此展开。Li[13]更提出了一种用于大功率LED 灯具的并联环形热管，结果表明不同的工作模式将导致其环路热管不同的传热性能；戴邵碧等[14]设计了一种新型热管散热器，发现与传统重力热管散热器相比其传热热阻降低了32%，其工作温度范围也得到了一定的提升；王薇等[15]设计了基于平板微热管阵列的U 型散热装置，探索了LED 基板与热管之间连接方式、U型热管与散热翅片之间连接方式、散热装置有效散热面积对大功率LED 灯具散热效果的影响；Huang等[16]对沟槽热管散热器的翅片进行设计来提高LED 车灯的传热性能；Singh 等[17]指出和压铸散热器相比，热管散热模组能够轻40%～50%，拥有2 倍～3 倍更高散热能力。

本文基于传热学理论，从热阻路径分析LED 灯具传热的机制，并以2 400 W超高功耗的远距LED投射灯为研究对象，在综合不同散热方式的对比后，采用强制风冷及热管散热器的方式，通过热分析软件ANSYS Icepak 对LED 灯具进行建模、热仿真，利用全面试验法对散热模组结构参数进行优化，开发出一款适合此投射灯的新型热管嵌入式扣fin(翅片)散热器。目前，市面上千瓦级的LED 照明产品并不多见，而与之匹配的散热设计更是不易见到；本文选定的热设计方案，基于投射灯小型轻量化需求，最大程度发挥主动散热和被动散热的优势，最终优化的热设计方案能够有效降低LED 结温，保障LED灯具长时间的工作运转。

1 理论分析

1.1 传热学基础

所有不同温度的物体都会发生热量传递，传递方向为从温度高的物体向温度低的物体传递，最终实现热平衡。物体间相互接触的热传导、流体与物体间的热对流和以电磁能量传递的辐射是三大传热方式[18]。

(1)热传导

热传导过程遵循傅里叶导热定律，定义公式如下:

式中:Q表示单位时间内在某一面积上通过的热量，称为热流量，单位为W；A表示面积，它位于热流垂直传递的横截面，单位为m2；∂T/∂x为物体沿着横坐标方向温度的变化率，其中负号表示热量从高温物体向低温物体方向传递；ΔT为平板两个表面的温差，单位为℃；δ为平板的厚度，单位为m；λ为导热系数，单位为W/(m·K)，此处的K 可用℃代替，该数值越大，材料导热能力越强，越容易导热。

在大功率LED 灯具的导热设计中，散热器材料常用铝或铜，从而得到较好的散热效果；也可以设计方案来增大导热面积或者减小传热路径长度，增强导热能力，但是减小传热路径长度往往受到整体结构散热要求的限制，可能会减小导热面积，因此减小传热路径长度需要考虑多种因素，满足整体散热要求。

(2)热对流

热对流遵循牛顿冷却定律，公式如下:

式中:Q表示流体流过固体表面的热流量，单位为W；A为面积，单位为m2；ΔT为流体与物体接触面的温差，单位为℃；h为对流换热系数，单位为W/(m2·K)，体现对流换热过程的强弱，其大小不仅取决于流体的物理性质、换热面大小、形状和布置，还与流体流速等因素密切相关。空气自然对流的h取值范围为1～10，气体强制对流的h取值范围为20～100，LED 热设计中要充分发挥散热器的自然对流散热能力，就要优化散热器结构，在此基础上采用风扇强制对流，会明显优于自然对流的效果，水冷的对流换热系数更高，可以考虑在LED 散热中设计液冷循环系统，但是液冷系统更加复杂，体积大，不便于维护。

(3)热辐射

对于两个及以上的物体间热辐射的净热量传递可通过斯蒂芬－玻尔兹曼方程计算，公式如下:

式中:q为热流率，单位为W；ε为实际物体表面的发射率，又称黑度，取值范围在0～1 之间，它与物体种类和表面状况有关；σ是斯蒂芬－玻尔兹曼常数，其数值约为5.67×10－8，单位为W/(m2·K4)；A1是辐射面1 的面积，单位为m2；F12表示从辐射面1 到辐射面2 的形状系数；T1、T2分别是辐射面1、辐射面2的绝对温度，单位为K。由此得出，若两辐射面温差越大，辐射热量越多。在LED 散热模组中，光源的热量传到散热器后，散热器与周围环境温差较小，所以辐射热量较小，在总体散热量中占比很小。

1.2 散热路径

LED 灯具的散热管理基本分为三个层次:芯片级、封装级和系统级。芯片级和封装级是通过改善材料和制程工艺的方式，降低热阻，强化导热效果；而系统级的热管理是根据应用端的使用环境及条件，设计制作符合其需求的散热机构，来确保灯具的长效运作。

当电流经LED 芯片导通发光时，大部分热量会从基板往后方流窜，经散热模组释放至周围环境中，而光源前端的封装硅胶和透镜的材料通常为聚合复合材料，其热导率低、热阻大，能够散发的热量有限，可以忽略不计。

本文所采用的2 400 W LED 光源是某LED 公司的Apollo 2 400 W产品，如图1 所示。该产品是采用一种新型无导线架(wire-bonding)的封装方式(Flip-Chip COB，覆晶板集成封装)，相比于目前的主流SMD(Surface Mounted Devices，表面贴装器件)封装或COB(Chip on board，芯片板集成)封装，无导线架(wire-bonding)的封装方式，可避免金属连接线因热膨胀断裂引起的风险，实现多芯片的集成化，有利于在较小区域集成COB 光源(即灯具高照度)，散热面积大(即热阻小)，热量迅速从光源内部导出。所以芯片热量主要向后方传递，散热路径为:LED 芯粒—光源基板—导热膏—散热器基板—焊膏—热管—焊膏—散热器翅片—外界空气，如图2三维模型所示。

图1 LED 光源

图2 模型结构

LED 散热模组热阻网络图如图3 所示，图3 中，R1为芯粒热阻，R2光源基板热阻，R3为导热膏热阻，R4为散热器基板热阻，R5为焊膏热阻，R6为热管热阻，R7为焊膏热阻，R8为散热器翅片热阻，所以总热阻为:

图3 热阻网络图

式中:R为LED 散热模组总热阻，T1为芯片温度，T2为光源基板温度，T3为导热膏温度，T4为散热器基板温度，T5为散热器基板和热管之间焊膏温度，T6为热管温度，T7为热管和散热器翅片之间焊膏温度，T8为散热器翅片温度，T9为环境温度，Q为LED光源热功率。R1主要取决于LED 芯粒的制作和封装，R2、R3、R4、R5和R7主要由材料决定，因为热管具有热阻极小的特性，所以R6相较于其他热阻可以忽略不计，R8取决于散热器材料和结构参数。本论文主要讨论热管嵌入式扣fin 散热器结构参数对LED 投射灯散热性能的影响，因此在其他条件一定的情况下，只需考虑减小R8来提升散热性能。

散热器单个肋片热阻为:

式中:m是肋片系数，H是肋片高度，hfin是肋片对流换热系数，P是肋片周长，k是肋片导热系数，Ac是肋片横截面积。

两肋片间基板对流换热热阻为:

式中:s是肋片间距，L是肋片长度(基板长度)，hbp是基板对流换热系数。

基板导热热阻为:

式中:tb是基板厚度，k是基板导热系数，A是基板面积。

散热器总热阻为[19]:

式中:n为肋片数量，在散热器基板尺寸确定时，根据肋片间距s和肋片厚度t计算得出。肋片和基板的对流换热系数增大，可以降低散热器热阻，而气体强制对流比空气自然对流的对流换热系数更大，所以选择风冷方式可以提高散热能力。

热量流过两个相接触的固体交界面时，由于两个固体表面不能紧密接触，中间部分就会存在缝隙，热量的传递过程中，通过缝隙内的气体以热传导方式传递，由于空气的热导率很低，因此传递的热量很小。这种界面间的传热阻力就是接触热阻。可以在接触界面之间填充热界面材料，比如导热膏、导热垫片等来减小接触热阻。

在LED 倒装封装技术中，选择合适的固晶材料，并且在生产工艺中保证足够小的固晶层厚度，才能显着降低 LED 封装热阻。金锡合金浆料(AuSn20)的导热系数约为57 W/(m·K)，具有抗腐蚀、易焊接等优点，是如今最适合作为高功率LED灯具的固晶材料。通过共晶焊料焊接技术，得到的共晶焊接层厚度约为3 μm，因此LED 封装中的固晶层导热热阻非常小，这得益于极薄的共晶焊接层厚度和高导热系数的金锡合金浆料。因此，在LED光源和光源基板之间的接触热阻可以忽略不计。

在光源基板和散热器基板之间，需要考虑接触热阻。在接触面采用导热膏，填充了交界面的间隙，能够减小接触热阻。

在热管嵌入式散热器中，散热器基板和热管、热管和散热器翅片之间使用商用银铜锡焊膏来接触，同样是为了减小接触热阻。

2 仿真分析

分析散热路径后，使用ANSYS Icepak 软件对2 400 W 投射灯进行热分析。根据散热路径来简化模型，构建了包括光源、光源基板、散热器基板、18根热管、137 个散热器翅片和前后分别8 个风扇(共16 个)的基本模型，X方向宽为160 mm，Z方向长为350 mm，Y方向高为54.8 mm，整个散热模组体积约为0.003 m3，质量约为6 kg，如图4 所示。

图4 简化模型

在模型各部分材料参数设置方面，按照表1 给定的数据设置。

表1 材料参数设置

LED 是光电器件，其工作过程中一般有15%～25%的电能转化为光能，其余电能将转化为热能。按照较低的电光转换效率15%来计算，也就是85%的电能将转换为热能，所以2 400 W光源的热损耗为2 040 W。在光源基板和散热器基板之间，设置厚度为0.1 mm 的导热膏；在散热器基板和热管之间、热管和散热器翅片之间设置厚度为0.5 mm 的银铜锡焊膏；将热管的导热系数设置为工程经验值。各翅片间的初始间距为2.4 mm，各翅片的初始高度为42 mm，散热器基板的初始高度为10 mm，翅片的初始厚度为0.4 mm，翅片的初始数量为137。一边采用吹风式风扇，另一边采用抽风式风扇，导入PQ曲线，最大静压值为578.2 Pa，最大流量为0.014 4 m3/s；环境温度为25 ℃，在这些初始参数条件下最高温度为71.53 ℃，如图5 所示。

图5 初步仿真温度分布

3 优化设计

3.1 优化参数选择

根据上述的散热路径简化模型，分别探讨每项初始参数对温度的变化(同时假设在其他参数不变的情况下)。

各翅片间的初始间距为2.4 mm，只改变翅片间距，温度变化如表2 所示。

表2 翅片间距的温度变化

各翅片的初始高度为42 mm，温度变化如表3所示；可见该因素对最高温度影响不大。

表3 翅片高度的温度变化

散热器基板的初始高度为10 mm，温度变化如表4 所示。

表4 基板高度的温度变化

翅片初始厚度为0.4 mm，温度变化如表5 所示。

表5 翅片厚度的温度变化

翅片的初始数量为137，温度变化如表6 所示；数量越多，最高温度反而升高。

表6 翅片数量的温度变化

3.2 优化设计

在以上五个初始参数中选择对最高温度影响较大的参数，并且在选定的参数中选择最高温度偏低的几个，选择尺寸如下:翅片间距为2.2 mm、2.3 mm、2.4 mm；基板高度为7 mm、8 mm、9 mm；翅片厚度0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm。选择这三个参数，做27组数据对比，最高温度结果如表7 所示。

表7 全面试验表

根据仿真结果，分析各因素对散热性能影响趋势以及影响大小，得到影响趋势如图6～图8 所示。

图6 温度随基板高度而变化

图7 温度随翅片间距而变化

图8 温度随翅片厚度而变化

3.3 结果分析

从图6 中可以看出，随着基板高度的增加，温度越来越高。以翅片间距2.2 mm/翅片厚度0.5 mm 为例，温度变化由68.01 ℃上升到73.21 ℃，极差值为5.2 ℃。从傅里叶导热定律来分析，物体沿着横坐标方向温度的变化率，在工程上则是物体沿着平板厚度方向温度的变化率，对于一定的热流量Q，想要使温差ΔT尽可能小，可以减小平板厚度，也就是说，缩短导热路径厚度可以增强导热能力，所以减小基板高度可以较为显着地降低最高温度。考虑到用螺纹紧固件将光源基板安装到散热器基板上，光源基板的厚度为2 mm，在散热器基板上的螺纹孔深度要有2 mm 就可以使得光源基板和散热器基板更加紧固地连接。热管半径为4 mm，嵌在散热器基板底部，热管截面圆心在基板底面上，当散热器基板高度为7 mm 时，基板最小厚度为3 mm；当散热器基板高度为6 mm 时，基板最小厚度为2 mm。虽然6 mm 的基板高度可以降低最高温度，如表4 所示，但是此时螺纹紧固件在安装的过程中，很有可能损坏热管，进而影响整体散热效果，所以选择7 mm 的基板高度。

从图7 中可以看出，随着翅片间距的增加，最高温度先有所减小再增加。当间距较小时，空气粘滞作用明显，对对流换热系数h带来负作用；随着间距的增大，粘滞作用减弱，因此最高温度有所降低；再随着间距持续增加，翅片数量会减少(即热交换面积缩减)，使得散热面积A的作用大于粘滞作用，最高温度有上升的趋势。

从图8 中可以看出，随着翅片厚度的增加，最高温度先增加后减小。究其原因:根据牛顿冷却公式，流体流过固体表面的热流量Q一定时，散热面积A与对流换热系数h的乘积越大，流体与物体接触面的温差ΔT越小，散热性能越好。一方面，随着翅片厚度增大，空气粘滞作用明显，翅片间空气流动性减弱，使得对流换热系数h减小，散热器总热阻增大，温度会升高，散热性能降低；另一方面，因为翅片长度不小以及翅片数量较多，所以翅片散热面积A有所增加。当翅片厚度小于0.5 mm 时，对流换热系数h对温差的影响大于散热面积A对温差的影响；当翅片厚度大于0.5 mm 时，散热面积A对温差的影响大于对流换热系数h对温差的影响。

通过热仿真软件ANSYS Icepak 逐步分析散热器各个参数对散热效果的影响，并考虑到最佳整体散热性能，在强制风冷的机制下，热管嵌入式扣fin散热器最佳参数如下:翅片高度为42 mm，翅片数量为137，翅片间距2.3 mm，基板高度7 mm，翅片厚度0.6 mm，此时LED 投射灯的最高温度为63.68 ℃。

4 结论

根据传热学理论以及对散热路径的研究，通过热阻网络法分析投射灯各组成部分热阻的决定性因素，得出散热器翅片热阻对整体热阻有较大影响，改善结构参数可以减小散热器翅片热阻的结论，并且增加翅片间的对流换热系数也可以降低散热器热阻，因此选择强制风冷来提升散热器散热性能。除此以外，热管具有热导率高、传热能力强的特性，是一种结构简单紧凑、重量轻的气液相变传热元件，若不使用热管，散热器体积将十分庞大，无法满足2 400 W 这种高热流密度(Hot Spot)量级投射灯的小型化应用需求，因此采用“强制风冷＋热管嵌入式扣fin 散热器”的散热方案。

在初始散热器结构参数条件下，LED 投射灯的最高温度为71.53 ℃，有较好的散热效果。进一步优化散热器结构参数，利用全面试验法探讨其翅片间距、厚度以及散热器基板高度对最高温度的影响规律后，综合考虑整体结构和散热效果，最佳参数如下:翅片高度为42 mm，翅片数量为137，翅片间距2.3 mm，基板高度7 mm，翅片厚度0.6 mm，此时LED 投射灯的最高温度为63.68 ℃，比优化前的71.53 ℃降低了7.85 ℃，说明该散热器通过进一步的参数优化，可以得到更好的散热效果，满足2 400 W高功率级别投射灯的小型化应用需求。

此款超高功耗(即超高亮度)投射灯具有小型化、轻量化及射距远的特性，能应用于救灾、侦查搜救、军工等用途，若用于车辆或舰艇上，更能发挥其机动的价值。若用于营救高楼大厦的被困人员，他们可以被迅速观察识别，进一步凸显此投射灯的价值。