大功率LED强化散热技术进展

大功率LED强化散热技术进展

刘靖嵩

普罗旺斯科技（深圳）有限公司广东省深圳市518067

摘要：在研究大功率LED时，必不可少的就是研究散热。随着温度的升高，LED的寿命下降非常厉害，如果超过150℃，会直接将LED烧坏，所以研究LED散热问题，是刻不容缓的大问题。

关键词：大功率；LED；强化散热

引言

LED是发光二极管简称的缩写，是一种以半导体管芯为基础的发光材料，随着半导体材料研究的技术不断的成熟，大规模的发光二极管得到了广泛的应用。LED发光二级管的能耗低、照明强度高，寿命长，能够根据具体的需要设计不同的尺寸大小，已经广泛的应用室内装修、汽车、道路、城市照明等。在实际工作中，LED的功率是无法达到100%的，将近有80%的输入功率要转换为热损耗，随着大规模、矩阵型的LED灯的使用，能耗也会变得越来越大，如果不能及时的处理散热问题，将会导致热量集中在二极管的PN结，就会降低LED灯的使用寿命，严重时甚至会烧毁LED。

1大功率LED灯的散热要求

具有较强的导热和均热性能：散热器件的总体热阻是由LED灯具所有的接触面逐层累计得到的，LED吸热面中的热传导阻抗是总体热阻中不可忽略的一部分。其与LED灯具之间的热阻抗越小，则越容易快速地吸收LED产生的热能，同时将这部分热能高效率地传导至翅片上。

总体上具有较小的热阻抗：为有效提升导热器件或散热器件的吸热能力，应将导热器件或散热器件尽可能地与LED模块紧密结合，甚至达到零空隙。但现实中导热器件或散热器件的吸热面与LED模块之间总存在很小的空隙。因此，应选择使用较小热阻抗、较强适应性的材料来填充空隙，这种材料就是我们常用的导热膏，其能有效减少接触热阻，从而减小整体热阻抗、提高散热效率。

热量发散迅速：加工时，将散热器件的吸热面与散热翅片加工成一个整体，从而将吸收到的热量迅速传送至散热翅片部分发散出去。此外，散热翅片的间隙应与空气流动方向相一致，以防止空气气流遇障碍形成漩涡造成热气滞留。

2大功率LED强化散热技术进展

2.1风冷散热技术

空冷散热一般主要采用的是空气对流散热的技术，它主要分为自然对流散热和强迫对流散热技术两种方式，空冷散热技术主要利用空气流动来散热，将空气作为冷却剂，加大LED器件周围的空气流动，进而能够对功率型LED的器件进行散热处理，风冷散热技术的结构简单，而且LED器件结构也比较简单，易于封装处理，结构简单，设备的成本比较低，它的运行十分可靠，而且风冷散热技术比较成熟，但是它的散热效率比较低，一般情况下只能用于小功率的LED散热系统中。在自然对流散热技术的运用中，采用散热器可以增加LED器件的散热面积，改善LED器件的散热性能，也能够降低LED基板器件的相关系数，而影响LED散热性能的因素有多种情况，例如散热器基板的导热系数、器件的对流换热系数等。散热器的散热面积直接影响着LED的散热情况，而散热器的形状对LED的散热效率影响十分巨大。随着LED芯片功率的不断增大，芯片的散热也就越来越多，采用自然对流的方式是不能满足散热要求，这就需要运用小风扇来增加LED器件散热面积的空气对流速率，进而增加散热器的散热系数，在具体的设计中，为了抑制风扇产生的噪音，需要将风扇设计的比较微小，甚至将其集成在LED系统中，使之技能达到散热的效果，也能够减少风扇的噪音。

2.2水冷散热技术

LED水冷散热系统是大功率LED设备中常用的散热技术之一，它的散热介质主要是以去离子水为主，充分利用水的循环流动进行散热。水冷散热技术系统主要由水泵、基板、导水管等部件构成，它采用水在导水管中的流动，达到对LED器件进行散热的目的。利用散热管还可以增加LED的散热面积，在工作时将LED芯片产生的热量传递给基板，泵主要功能是为散热器提供水循环动力，保证离子水能够循环流动，LED芯片将产生的热量传递给LED基板器件，基板再将热点传递给水，然后导水管通过水的流动带走热量，达到具体的散热效果。采用水冷散热系统可以快速的降低LED芯片带来的热量，与风冷散热相比，虽然水泵在运行的过程中还会产生一定的噪声，但水冷散热能够快速的散热，具有安静、对环境依赖比较小等优点，在一些中小型的LED设备中得到了广泛的应用。

2.3热管散热技术

热管散热技术在LED器件散热中也比较常见，它主要是利用热相变来强化导热器件进行换热的传统散热技术，一般的热管散热技术主要由管壳、吸液芯和端盖等几部分构成。在LED的热管设计上，将热管的一端设计为蒸发段（加热段），便于吸收LED器件散发的热量，将另一端设计为冷凝段（冷却段），功能是对传导过来的热量进行冷却，大功率的LED阵列一般主要采用导热胶粘结在蒸发段管壁上，以保证能够有效的对LED进行散热，在热管运行时，管内的冷却液在蒸发段内吸收热量而蒸发，进而能够带走LED器件散发出的热量，当蒸汽从蒸汽腔流入冷凝段，在放出热量同时，也受到冷却段的冷凝，然后被冷却液体，达到对LED降温的目的，经过冷却的液体在LED器件的毛细结构丝网产生的毛细力作用下，然后再回流到蒸发段，这样通过热管冷之间的液体、气体之间的循环，达到对LED器件进行降温的目的，采用热管冷却技术的缺点是设备的制作工艺复杂比较复杂，体积极大，而且设备的成本比较高，系统整体稳定性不高。

2.4热电散热技术

热电散热技术是通过将LED阵列在通电发光产生的热能通过导热材料将其传递出来，经过冷凝设备吸收热量，主要采用热电之间的控制达到散热的目的，它的工作原理是以热电效应为基础。在无外磁场存在时，热电散热技术主要包括导热设备、焦耳热损失等效应的原理，采用热电散热的主要优点是它的散热密度比较大，散热的结果比较紧凑，并能够与IC工艺紧密的结合在一起，系统结构的集成效果较好。与其他传统散热方式相比，采用热电散热器能够快速的降低LED器件温度，能够快速的使得LED系统的温度降低到36%以上，而且这种技术还可以进行突破，通过选择冷效率高的热导材料，并通过优化热电传导设备结构进行散热。

2.5热声散热技术

热声制冷技术主要采用热声效应来实现LED器件散热的目的，热声效应的工作原理是将LED工作时产生的热量加入到声波密集区域，在设备的声波稀疏时将LED系统产生的热量排出，然后声波的能量就会加强。由于声波在空气中进行传播时，就会产生压力波动或者位移的波动，通过声波产生的压力波动达到散热的目的。声波的传播还会受到散热器的温度变化波动。如果在气体的压力、位移以及温度发生变化是，就会与散热器的边界发生接触，这样就可以快速的将热能传递出，实现声波与热能的转换，进而达到散热的目的，采用声波散热技术的优点是制冷的部件较少，而且使用的成本也比较低，散热结构比较简单等。

结束语

散热技术作为提高LED功率和性能的关键技术，目前受到广泛关注。LED的散热技术有很多，覆盖了LED的封装层面及外围设施。目前对于高功率密度的LED器件，较为理想的散热技术有液冷、微槽群以及碳纳米管热界面材料等，其中液冷具有最好的散热效果，适用于超高功率密度的LED器件。为了提高散热效果，可以将现有的散热技术结合使用，例如使用液冷辅助热管散热，同时改进LED的基板和热界面材料，这样可以达到很好的散热效果。未来，LED器件一定是向大功率和小型化发展，研究更好的散热技术是一条必经之路。

参考文献：

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[3]华楚霞.大功率LED路灯散热器的研究与优化[D].广州：广东工业大学，2014.