新型LED燈散熱性研究
王琛，申勛業，徐慧君(1東北農業大學工程學院150030)
摘要：LEO具有高效、節能、環保、壽命長、響應速度快等特點，被視作必將成為繼白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈之后的第四代光源．但目前LED芯片80％-90％的電能轉化成熱量，而僅靠芯片封裝器件外殼散熱難以維持低溫工況，嚴重制約了大功率LED燈的應用．我們主要是研究在自然空氣冷卻狀態下，影響大功率LED燈散熱性能的因素及各因素影響的程度，及大功率LED燈散熱設計．
關鍵詞：LED 散熱性能 結溫 翹片 輻射率
LED結構及特性
LED(Light Emitting Diode)，發光二極管，是一種固態的半導體器件，它可以直接把電轉化為光。LED的心臟是一個半導體的品片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的止極，使整個晶片被環氧樹脂封裝起來。半導體品片由兩部分組成，一部分是P犁半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個“P_N結”。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區，在P區里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發出能量，這就是LED發光的原理。而光的波長決定光的顏色，是由形成P—N結材料決定的。
LED具有功耗低、體積小、可靠性高、壽命長和響應快等優點，己被應用于儀器儀表、計算機、汽車、電子玩具、通訊、自動控制、軍事等領域。由于發光效率和發光強度的極大提高，達到燭光級的亮度，大功率LED已經逐步被應用于公路、鐵路和機場的交通信號燈系統，汽車的尾燈、剎車燈和方向燈、戶外大屏幕信息顯示和全彩色電視顯示系統等。
2大功率LED發展
大功率LED是指擁有大額定工作電流的發光二極管。普通LED功率一般為0．05W、工作電流為20mA，而大功率LED可以達到1w、2W、甚至數十瓦，工作電流可以是幾十毫安到幾百毫安不等m1。由于目前火功率LED在光通量、轉換效率和成本等方面的制約，岡此決定了大功率白光LED短期內的應用主要是一些特殊領域的照明，中長期目標才是通用照明。何謂大功率LED，業界也沒有公認的說法，目前普遍默認的劃分標準為，超過1w即屬于大功率LED或稱作瓦級LED。
我國雖有多家企業開發生產LED城市照明路燈，但很多是用小功率LED陣列作發光體，散熱問題解決了，所用LED數=暈=要很多，小功率LED光衰強，安裝成本高．城市照明LED路燈采用大功率LED是發展的趨勢，少數用大功率LED作發光體的路燈產品由于沒有很好地解決功率達到～定量時，LED的散熱問題：LED的散光和聚光控制問題：路燈在路面照射面的照度范圍、型態和照度的均衡問題：光電轉換效率太低，每瓦只有幾個流明等問題H’。因此散熱和可靠性是影響人功率LED應用主要因素。
3熱效應對LED的影響
LED其光譜中不含紅外成分，產生的熱量不能靠輻射發出，故LED是冷光源。目前LED的發光效率僅能達到10％～20％，還有80％～90％的能量轉換成了熱量。
對丁二LED，結溫(當電流流過LED元件時，P-N結的溫度將上升，嚴格意義上說，就把P-N結區的溫度定義為LED的結溫。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我們也可把LED芯片的溫度視之為結溫。)高會導致器件各方面性能的變化與衰減。這種變化主要體現在三個方面：
(1)減少LED的出光量；(2)造成LED發出光的峰值波長偏移，從而導致光源的顏色發生偏移：(3)縮短LED的壽命。
大功率LED燈是否能夠正常工作，除LED芯片本身的岡素之外，在很大程度上還取決LED與散熱片的合理匹配及安裝接觸面的導熱條件。因此，散熱器的結構形式及安裝工藝是大功率LED燈有效散熱的重要環節。
3．1散熱片概述
大功率LED燈的散熱片主要是以輻射和對流散熱，通過增加散熱總的有效面積，提高散熱性能。散熱片一般采用導熱率高的材料，可用鋁、鐵、銅等材料。在截面積利厚度相同的條件下，銅材的散熱效果最好。但一般多用鋁材，因鋁的散熱性能優于鐵，而重量比銅、鐵輕的多，成本遠低于銅。散熱器表面應光潔平整，內部不得有疏松氣孑L等缺陷。表面涂黑處理是將輻射率增大，有利于進～步減小外熱阻。散熱器是由基體與若干翅片組成的散熱結構，與單個翅片不同，其散熱單元為兩兩相鄰的翅片與基體組成的U形或V形等通道，因此，必須考慮間距和散熱片的肋片個數對散熱性能的影響。
散熱片的冷卻方式可分為自然冷卻和強迫冷卻兩類。強迫冷卻可分為強迫風冷和強迫水冷兩種。臼然冷卻通過空氣自然對流及輻射作用將熱量帶走；強迫風冷需要配備風機，強迫水冷需要配備循環水系統。照明用大功率LED燈，均是白然空氣冷卻散熱∞。61。
現以一典型LED燈為例，使用熱分析軟件Fluent Icepak v4．2分析翅片各幾何參數、位置、材料、表面處理等對散熱性能的影響。建立物理模型：選定某一大功率LED芯片為熱源，工作在自然空氣冷卻條件下，選取的散熱器為鋁材料，鋁基板0．03mX 0．03m X 0．001m，LED芯片0．025mX 0．025m，散熱片基體、LED．芯片、鋁基板間通過導熱膠連接
3．2散熱片翹片的影響
任選一表面增設翅片，僅翅片某一幾何參數變化，其余參數保持不變時，分析LED芯片結溫變化情況。由上面分析結果可知，上表面翅片散熱效果較明顯，故選擇翅片縱向分布在散熱器基體上表面。翅片寬度0．003m，長度0．14m，數量20均布，其他幾何參數及環境條件均保持不變，建立物理模型，如表3-2所示。
3．3散熱片表面處理的影響
散熱片以對流和輻射形式對外散熱，在自然對流情況下，應考慮輻射的影響。表面處理指翅片表面涂覆復合材料或煮黑等氧化處理，提高翅片表面輻射率(輻射率是描述面輻射源特性的物理量。它表示輻射源在某一方向上的單位投影表面在單位立體角內的輻射通量)。選擇翅片縱向分布在散熱片。翅片高度0．03m，厚度0．003m，長度為0．14m，數目20片，均勻分布。在其他幾何參數及環境條件均保持不變的情況下。如表3—6所示。
4 結論
在對LED燈散熱片散熱性能分析中，我們并沒有改變散熱騙的結構性能參數，由于散熱片主要是靠散熱片翹片增加散熱面積來達到有效散熱。如果改變散熱片與器件的連接基體，基體的散熱影響并不明顯，并且改變基體在實際中并不容易，會提高散熱片的成本。綜合上述可知：
1)散熱片雖然前、后、左、右四側面上單位面上的散熱效率高，但由于工藝搜到了限制。我們設計翅片或重點對上表面的翅片進行優化；
2)散熱片翅片厚度對散熱器性能的影響不如翅片長度、高度、數目的影響明顯；所以在進行散熱器優化設計時，要考慮影響散熱片性能的主要因素，這樣既可以節省時間，也能滿足工程需求。翅片尺寸達到一定程度后，若繼續增大，其對散熱片散熱性能的增強效果就變得不明顯，因此翅片各幾何參數存在最優值
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