大功率白光LED應用中的輻射散熱技術研究

吳中林，徐華斌，占美瓊

（上海第二工業(yè)大學理學院，上海 201209）

大功率白光LED應用中的輻射散熱技術研究

吳中林，徐華斌，占美瓊

（上海第二工業(yè)大學理學院，上海 201209）

大功率白光LED熱問題的解決是保障其正常工作的重要條件。研究了室內半導體照明中的輻射散熱技術，分析了不同發(fā)射率表面的輻射能力隨溫度變化的關系。結果表明，在沒有對流散熱的情況下，室內白光LED吸頂燈可通過輻射的方法進行散熱。輻射成為半導體照明燈具散熱的一個不可忽視的有效途徑。

白光；LED；照明；散熱；輻射

0 引言

半導體技術已經改變了世界，而半導體照明技術將再一次改變我們的世界。隨著GaN基藍光LED芯片生長技術的飛躍發(fā)展，大功率白光LED的發(fā)光效率從本世紀初的30 lm/W迅速提升到目前的120 lm/W以上，而實驗室更是高達230 lm/W，其發(fā)光效率超過了所有的傳統(tǒng)白光光源。這種新型的固態(tài)照明光源正在逐步取代現(xiàn)有的白熾燈、熒光燈及高壓氣體放電燈，成為21世紀可以進入普通照明領域的首選光源。然而，大功率半導體光源屬于電流注入型的半導體發(fā)光器件，在發(fā)光的同時也產生熱量。隨著結溫的升高，芯片內部載流子的有效復合幾率下降，導致發(fā)光效率下降，同時熒光粉也會因芯片溫度升高而加速老化，光衰加重。研究表明，當溫度超過一定值時，器件的失效率將呈指數(shù)規(guī)律攀升，當結溫超過一定的界限（一般是105 ℃）時，甚至會造成芯片的永久性損壞。如何有效地把芯片發(fā)出的熱及時導出并散發(fā)出去，成為大功率LED光源能否正常工作的關鍵問題[1-3]。大功率LED燈具一般采用由鋁合金拉制成的齒條狀的散熱器，在有空氣流動的環(huán)境下具有良好的散熱效果，但如果把這種散熱器用在室內LED吸頂燈里，傳導和對流散熱則無法進行[4]。因此，應重新設計在這種環(huán)境下工作的LED燈具散熱器，依靠輻射方式進行散熱。

1 輻射散熱的基本原理

物體通過電磁波來傳遞熱的方式稱為輻射。自然界中各種物體都在不停地向其周圍空間發(fā)出熱輻射，同時也在吸收其他物體發(fā)來的熱輻射，當發(fā)射和吸收的熱量不相等時就形成了物體間的輻射傳熱。

實際物體的輻射能力都小于同溫度下的黑體，它們輻射的熱量遵循斯忒藩-波爾茲曼定律的經驗公式[5]：

式中：A為輻射物體的表面積；σ為斯忒藩-波爾茲曼常數(shù)，其值為5.67×10-8W/m2·K4；T為物體的熱力學溫度；ε為物體的發(fā)射率，它的值小于1，與物體的種類及其表面狀態(tài)有關。散熱器在向周圍輻射熱量的同時也吸收周圍環(huán)境物體對自己的輻射且吸收的輻射熱也符合式(1)，因此，散熱器通過輻射方式散發(fā)的熱量為

式中T1為散熱器表面的溫度，T2為環(huán)境溫度。

2 輻射散熱方法在大功率LED照明中的作用分析

2.1 材料及其表面特性對散熱量的影響

根據(jù)斯忒藩-波爾茲曼定律，物體表面的散熱量與它的發(fā)射率成正比例關系，而不同的物體具有不同的發(fā)射率。一般來講，非金屬的發(fā)射率比金屬的發(fā)射率高；粗糙的表面發(fā)射率比光滑的表面高；氧化物表面的發(fā)射率比純金屬表面高；深色的表面發(fā)射率比淺色的表面高。表1為一些材料在特定溫度下的表面發(fā)射率。

表1 一些與LED散熱相關材料的表面發(fā)射率Tab.1 Surface radiation ratio of some material relating to LED heat diffusion

由表中數(shù)據(jù)可知，盡管鋁具有較高的導熱系數(shù)，但磨光的鋁表面發(fā)射率很低，氧化的鋁合金表面發(fā)射率也不高，因此，用鋁合金作為室內LED吸頂燈的散熱器，在對流散熱不暢通的情況下，必須采用增加表面紅外發(fā)射率的涂料涂敷在散熱器翅片上，以提高散熱器的輻射散熱能力。

在設計室內半導體照明燈具時，我們還可以采用陶瓷、導熱工程塑料等非金屬材料制作散熱器，充分利用這些材料的高表面發(fā)射率，通過輻射的方式進行散熱，同時應注意盡量展開散熱器翅片并增加其表面積，以達到最佳輻射散熱效果。

2.2 輻射散熱量與散熱器表面溫度的關系

對于一定功率的半導體照明燈具，如果僅通過輻射方式散熱就能使芯片工作在安全的溫度以內，這種燈具的性能及使用壽命就很容易得到保障。由公式(2)可知，輻射散熱量與散熱器表面的熱力學溫度成四次方比例關系。在室內照明場合，假定環(huán)境溫度為30℃，對于表面發(fā)射率分別為0.3、0.6和0.9的不同材料的散熱面，單位面積的輻射散熱量隨溫度變化的關系曲線如圖1所示。

圖1 輻射力隨溫度的變化關系Fig. 1 Relation between radiation energy and temperature

在實際的室內半導體照明燈具中，芯片的結溫最高不超過80℃，考慮到芯片封裝、LED與鋁基板、鋁基板與散熱器之間的熱阻[6,7]，以及散熱器本身熱傳導所形成的熱阻，把芯片與散熱器表面的溫差設定為15℃，則散熱器表面的溫度為65℃。這種溫度不會對周圍環(huán)境造成熱損傷。從圖1可知，表面發(fā)射率為0.9的散熱面，當其表面溫度為65℃時，它的輻射力可達到235 W/m2，由此可以推算出一個直徑為30 cm、發(fā)光通量為1 500 LM的15 W大功率LED室內吸頂燈，同等條件下的輻射散熱量為16.6 W，因此，僅考慮輻射散熱的方法就能夠散發(fā)LED工作過程中所產生的熱量。

3 結論

解決半導體照明中的熱問題是保障LED芯片正常工作的首要前提。熱是通過傳導、對流和輻射三種途徑來進行交換的。在室內半導體照明場合，空氣流動不夠強勁，對流換熱比較微弱，而散熱器上面的熱量又不能傳導到其他物體上，因此，輻射散熱方法就顯得尤為重要，成為白光LED室內照明燈具散熱、對外界進行熱交換的一個不可忽視的有效途徑。

[1] 田傳軍, 張希艷, 鄒軍等. 溫度對大功率LED照明系統(tǒng)光電參數(shù)的影響[J]. 發(fā)光學報, 2010, 31(1): 96-100.

[2] 張淑芳, 方亮, 付光宗等. 導熱涂層對LED散熱性能的影響[J]. 半導體光電, 2007, 28(6):793-796.

[3] 馬璐, 劉靜. 高功率LED熱管理方法研究最新進展[J]. 半導體光電, 2010, 31(1):8-15.

[4] 楊光. 道路照明中大功率LED路燈散熱方案的研究[J]. 照明工程學報, 2010, 21(1): 40-47.

[5] 楊世銘, 陶文銓. 傳熱學 [M]. (第四版). 北京: 高等教育出版社，2006.

[6] 李鵬. LED燈具的熱分析與散熱設計[J]. 中國照明電器, 2008(12): 17-19.

[7] 齊昆, 陳旭. 大功率LED封裝界面材料的熱分析[J]. 電子與封裝, 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

吳中林（1963－），男，江蘇東臺人，副教授，博士，主要從事高功率光纖激光和半導體照明方面的技術研究，電子郵箱zlwu@sf.sspu.cn。

上海市教委創(chuàng)新項目資助（No.09YZ450）