LED照明光源的溫升與散熱

鄭建紅，李杰峰

唐山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，河北唐山 064002

LED照明燈具作為第四代照明光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、體積小等特點(diǎn)，且LED光譜中沒有紫外線和紅外線，熱量低和無頻閃、無輻射，廢棄物可回收，沒有污染，不含汞元素，屬于典型的綠色照明光源。作為一種高效節(jié)能的新型光源，由于生產(chǎn)工藝和性能不斷進(jìn)步，LED照明逐步取代其它照明領(lǐng)域已經(jīng)成為一種必然趨勢。

1 LED照明光源溫度升高的原因分析

目前限制LED照明發(fā)展的限制因素除成本外，就是散熱問題。LED屬于半導(dǎo)體發(fā)光器件，隨著自身溫度的變化，其特性會有明顯的變化。研究表明，LED的結(jié)溫越高，光源越早出現(xiàn)光衰，壽命就越短。若以光衰降至70%時(shí)作為LED正常使用的標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)結(jié)溫為65℃時(shí)，LED壽命更可達(dá)到9萬小時(shí)～10萬小時(shí)；結(jié)溫升到75℃，壽命降至5萬小時(shí)；結(jié)溫為95℃時(shí)，壽命為2萬小時(shí)；當(dāng)結(jié)溫為105℃時(shí)，光源壽命只有一萬多小時(shí)。由此看來，延長LED光源壽命的關(guān)鍵就是要降低結(jié)溫，加速LED燈具的散熱效果。

LED在電源的驅(qū)動下，不僅產(chǎn)生光能，還產(chǎn)生大量熱能。對于LED芯片來說，體積較小，其本身的熱容量也很小，產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)傳導(dǎo)出去，因此會產(chǎn)生很高的結(jié)溫。LED光源，除了作為可視光消耗的能量外，其它能量都轉(zhuǎn)換成了熱能，大約70%的電能都變成了熱能。另外，由于LED封裝面積小，通過對流和輻射的散熱少，也使LED光源積累了大量的熱，使LED光源的溫度升高。

2 LED照明關(guān)于散熱不良的危害

2.1 電子元件變形

LED燈具由多個電子元件構(gòu)成，每個元件的材質(zhì)的熱膨脹系數(shù)也不一樣。當(dāng)溫度升高時(shí)，組合在一起的元件的膨脹率就不一樣，就可能使材質(zhì)發(fā)生彎曲變形，甚至?xí)谶B接處因?yàn)閼?yīng)力過大產(chǎn)生裂紋。

2.2 電子元件燒斷

LED作為熱源的半導(dǎo)體元件，當(dāng)溫度上升時(shí)，其阻抗就會變小，電流增加，熱能增加，溫度上升，這樣周而復(fù)始的惡性循環(huán)，容易發(fā)生電子元件燒斷的電路故障。

2.3 加速封裝材質(zhì)老化

LED芯片的封裝多采用環(huán)氧樹脂，當(dāng)溫度升高時(shí)容易氧化、老化和脆化，使得其對光的透射率下降，進(jìn)而造成LED的出光量降低，溫度越高此現(xiàn)象越明顯。經(jīng)過反復(fù)經(jīng)過高溫作用，材料多次膨脹和冷縮，會降低材料的強(qiáng)度，從而破壞了材料的性能而失效，影響其使用壽命。

3 LED照明光源散熱措施

3.1 加強(qiáng)LED芯片的散熱

為了改善LED芯片本身的散熱，其最主要的就是采用導(dǎo)熱更好的襯底材料， 盡可能地把熱量引出到芯片外面。目前，應(yīng)用較多的襯底材料為硅和碳化硅，大大改善芯片的散熱效果。LED芯片封裝以后，從芯片到管腳的熱阻也是影響芯片散熱的一個因素。熱阻越大散熱效果越差，適當(dāng)?shù)臏p小熱阻，可以增加芯片的散熱效果。

3.2 采用導(dǎo)熱較好的電路基板

LED芯片所產(chǎn)生的熱量最終通過燈具的外殼散到空氣中去。如果散熱不好，較少熱量的積累就會使得芯片的結(jié)溫迅速提高，如果長時(shí)期工作在高結(jié)溫的狀態(tài)，它的壽命就會很快縮短。然而這些熱量要能夠真正引導(dǎo)出芯片到達(dá)外部，就必須采用導(dǎo)熱較好的電路基板，使LED產(chǎn)生的熱量迅速傳導(dǎo)出去。目前常用的電路基板為鋁基板、銅基板和陶瓷鋁基板。

3.3 散熱器的使用

散熱器的作用就是把導(dǎo)熱材料傳導(dǎo)至散熱器的熱量通過對流和輻射散發(fā)到空氣中去。為了加大散熱面積，往往把散熱片做成鰭片形狀。對流的散熱效果往往和空氣的流速有密切關(guān)系，為了加強(qiáng)對流散熱的效果，可采用強(qiáng)制風(fēng)冷的方式來加強(qiáng)散熱。目前，市場上應(yīng)用較多的散熱器主要有純鋁、純銅散熱器和銅鋁結(jié)合散熱器。

3.4 減小電路基板和散熱器之間的氣隙

LED芯片產(chǎn)生的熱量雖然可以傳遞到電路基板上，但還必須和散熱器連接，通過散熱器把熱量散發(fā)到大氣中去。把電路基板和散熱器連接在一起的方法是用鉚釘或螺釘來進(jìn)行連接的，因此在基板和散熱器之間往往會形成空氣隙，即使很小的空氣隙產(chǎn)生的熱阻也會比其他熱阻大幾十倍。為了減小或消除氣隙，往往在兩者縫隙當(dāng)中涂上一層導(dǎo)熱膠，可以緊貼零件上的凹凸部位，從而消除了氣隙的存在。

3.5 采用熱管散熱

熱管屬于一種傳熱元件，它充分利用了熱傳導(dǎo)原理與制冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，通過在全封閉真空管內(nèi)液體地蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性，冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變，可遠(yuǎn)距離傳熱，可控制溫度等一系列優(yōu)點(diǎn)，并且由熱管組成的散熱器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、流體壓力損失小等優(yōu)點(diǎn)，其導(dǎo)熱能力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。

目前LED的發(fā)光效率還是比較低，從而引起結(jié)溫升高，壽命降低。為了降低結(jié)溫以提高壽命就必須十分重視散熱的問題。過去的LED路燈在長期工作中的大量失效，一半以上是由于散熱設(shè)計(jì)欠缺所引起，因此LED照明光源的散熱設(shè)計(jì)必須從芯片開始到整個散熱器，每一個環(huán)節(jié)的問題都會引起嚴(yán)重的散熱不良，對散熱的設(shè)計(jì)必須給以充分的重視。

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