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摘要：随着取出荧光粉量子效率以及芯片封装制造技术的不断提升，从性能与结构上来看，LED取得了不小进步。如何散热结构的设计成了设计人员重点突破的方向，怎么样降低成本，提高灯具的稳定性成了LED照明突破市场的关键点。
关键词：LED灯具 普通照明 互通式散热结构
引言：LED照明灯具设计较为复杂，涉及内容较多，如光学、机械及电子等，其中散热结构作为最为重要的一部分，在灯具使用过程中，极少部分功率会转换为光，而剩余大部分则会转化为热，如果不能够及时、有效处理热能，会极大影响灯具的使用寿命，且在一定程度上影响发光效率，要对LED照明灯具的散热结构进行优化设计。
1 LED照明灯具优势
节能、安全性较高，LED照明灯具的整体光效高，并且在反射时，灯具的损失较低，采用数字调光系统，会使省电效果更加明显。现阶段，同传统高压钠灯相比，LED照明灯具节电能比其节省60%。将LED照明灯具与太阳能系统配套使用，会发挥出更大效果的能源利用率；维护成本较低，LED照明灯具不需要频繁更换，一般可以使用10年左右。与此同时，相比于过去的高压钠灯，LED照明灯具在安装造价、铺设、耗电等方面的成本也低很多，就相应的减少了电缆、变压器及工程费用等，配光容易，LED照明灯具的光源非常靠近自然光，同时，可以人为的对光色进行控制，可以利用配光来满足不同领域照明的具体需求。还可以控制光色的均匀度，不至于像传统光源一样光色太单调；安全环保，LED照明灯具的光源没有辐射，也不会造成光污染，不会对人体造成伤害，维护简单，方便管理，也不需要经常保养，使用寿命较长，短时间内不需要更换。
2 散热设计思路
（1）芯片芯板传热
早期的LED灯具由于采用LED灯珠，应用范围不广，单芯片的灯珠由于功率不高，发热量有限，所以对散热的要求不高。而今当0.5W以上高功率LED成为灯具光源的主流时，高功率带又来了高发热量。为了尽可能提高芯片的散热性能，研究人员不断在LED的芯片结构和材质上进行了很多改进。从最早用硅材料做为衬底到用蓝宝石材料最后到用碳化硅做衬底，其导热性能提高了近20倍，但是碳化硅的缺点是使用成本高。目前，很多生产企业考虑到成本核算，又开始采用硅材料作为基底，只不过在中间加一层氮化铝作缓冲。随着科技不断发展，现在主流的LED芯片基板主要以陶瓷基板和金属基板为主。陶瓷基板因高散热性，低膨胀系数等特性，能够减少因高热而产生的材料变型，同时材料的本身还具有耐热、耐潮、绝缘等优点，所以陶瓷基板成为高功率照明灯用LED芯片基板的最常用散热材料。陶瓷基板材质目前分为3大类：三氧化二铝、低温共烧陶瓷、氮化铝，低温共烧陶瓷多适用于以大尺寸高功率和小尺寸低功率产品为主LED产品，基本上外观大多呈现凹杯状，且可根据用户的需求制作出有导线架和没有导线架两种散热基板。而三氧化二铝则侧重用于1W～3W的LED灯具，这三类中以氮化铝的导热性最佳，适用于大功率半导体基片，在散热过程中自然冷却即可达到目的，同时还具有很好的机械强度、优良的电气性能。金属基板特别是金属铝基板具有很好的热传导系数，易加工、价格低廉，再加上量产良率的提升，目前日渐成为高功率LED散热基板采用材质的主流，但设计时要尽量将PCB靠近铝底座，从而减少灌封胶部分产生的热阻。所以必须充分了解LED模块各种材料之间热膨胀系数差异，降低造成的热应力，从而提高使用金属基板的可靠性。
在封装结构方面，常用的封装方式有引脚式封装、表面贴装封装、功率型封装引脚式封装方式是最普通的一种封装方式，有90%的热量是由负极引脚散发到电路板上，其散热的效果受限于导线的材质和几何型状，故散热能效备受限制。表面贴装封装方式，就是把芯片直接焊接在基板上，因此具有良好的连接性和散热性，热阻很小。 虽然这种方式很好，但有它的局限性，就是芯片底部一定要有焊盘。功率型封装方式，这种封装方式适用于常规管芯高密度组合封装，其取光效率高并且热阻低，较好地保护管芯与键合引线。对于大多数LED灯具生产企业一般采用外购芯片，故需要设计人员要充分考虑和了解采购的芯片发热性能，分析成本及能效，以达到所需的最佳效果。
（2）系统电路散热
LED芯片通过焊接与系统电路板产生了链接，但是由芯片所产生的热能也同时传导给系统电路板，系统电路板的散热性能就显得更为重要，目前大都采用铝基板做为系统电路板。铝基板自上而下一般由电路层（铜箔层）、导热绝缘层和金属基层组成，电路层要求具有很大的载流能力，从而应使用较厚的铜箔。导热绝缘层是铝基板工艺中最关键的环节，它一般是由特种陶瓷粉末填充而合的聚合物构成（主要是环氧树脂），具有优良的热传导性、良好的绝缘强度和粘结性能，能够承受机械及热应力。若绝缘层使用的材质膨胀系数较高，那么在温度升高时由于膨胀将会产生变形、龟裂和缝隙，当空气从缝隙中进入铝基板，由于空气是热的不良导体，所以将会增加热阻抗，产生更多的热量，从而严重影响散热效率，使散热性能大打折扣。目前一些生产企业会在导热绝缘层和金属基版之间加喷一层散热漆，以此来提高绝缘层的绝缘性降低热阻抗、达到热传导的目的。金属基层的金属基板一般有铜板、铁板、钼板和铝板，使用最多的是铝板，因为其散热性好，且密度小、重量轻、防氧化，并且价格便宜，市场上铝板是用途最广、用量最大的一种金属板材。由于芯片和系统电路板都只是进行传热，而能够将这些热能最终传到出灯具外的，就要靠散热系统，目前主流散热系统可分为四种型式：风扇强制散热、磁力喷流散热，自然对流散热和回路热管散热。由于使用环境、产品综合发热量大小、生产的成本等各方面问题，选择适当的散热方式，尤为重要。下面将进行分别介绍：
风扇强制散热：是指利用风扇运动产生空气间对流，将LED灯具中所产生的热量带出本体，从而有效的将热量强制排出。由于受到灯具体积的限制，风扇强制散热方式一般很少被灯具生产企业所采用。目前只有少数生产坚立式路灯企业使用此种技术。
电磁喷流散热：其结构为一具有薄膜之中空腔体，其利用电磁或压电驱动器以每秒100～200次的频率振荡薄膜，促使薄膜进行上下振荡，随着薄膜的上下位移，空气会流入中空腔体再行喷出，喷出后的气流会带动周边空气产生涡流现象，强化空气对流能力。
自然对流散热：散热过程是利用空气的流动（对流）将热量带走，传递到空气中，达到散热作用。LED的灯具散热器表面积越大，它与空气接触的面积就越大，通过对流作用空气吸走散发的热量，从而达到散热的效果。LED灯具最常见的是按装散热鳍片，鳍片的散热面积越大，对流效果越好，但鳍片数量也不宜过多，不然会增加LED灯具的整体重量和成本，也加大立杆型灯具安全悬挂的风险。
回路热管散热：是依靠封闭回路管内的工作液体在蒸发器与冷凝器之间不断的热交换从而达到传递热量。回路热管的两端一边连着发热源一边连着散热器，回路管的内部则充入适当的液体，管壁有吸液芯是由毛细多孔材料构成。当灯具开始工作其电路板产生热量时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，再利用毛细力将冷凝液体带回蒸发器，如此往复循环，达成热量的传递。LED芯片所产生的热量可快速传递出灯具的散热器或外壳，但回路热管散热仅解决热传导问题，无法有真正达到“散热”功能。由于各种散热的效率和成本不同，LED照明灯生产企业可以通过设计将以上散热方式通过合理结合，通过合理阶段合理方式进行散热，达到提高散热能力，降低生产成本。
3 LED照明灯具散热结构设计
3.1 一次散热设计
一次散热主要是由生产工艺决定，将芯片及散装作为基础，并结合相应的设计工艺，能够初步实现灯具的散热和导热目标。一次散热设计完成后，需要对灯具进行封装，就灯具设计来看，灯具封装过程较为复杂，涉及内容较多，如焊点、绝缘层及金线等多个方面，技术人员要熟练掌握各方面知识及封装结构，更好地完成封装工作。封装透镜材料自身不具备导热功能，其主要是对芯片的光输出进行有效分配，而芯片的热能则需要借助外部散热器进行散热处理。为此，在进行封装过程中，主要是针对灯具使用要求及条件而进行散热设计。
3.2 二次散热设计
在散热设计的过程中，要坚持具体问题具体分析原则，切合实际情况进行二次散热设计，具体可以通过以下几个方面入手： 首先，计算热阻及结温，并对计算结果进行试验，观察参数是否能够满足散热需求，其次，若试验满足散热要求，则可以将其确定为散热设计参数，反之，则需要进一步调整和改进，提高灯具散热能力；最后，输出设计结果，就灯具散热设计热阻网络流程来看，可以表述为LED内部热沉通过粘结层将热量传递给金属线路板，并将热量传送给散热器，以最大限度将热量散出去。针对二次散热设计封装方面，通常可以采取打线、共晶及覆晶三种方法将芯片与散热基板连接到一起，其中打线主要是借助金属导线连接芯片及基板，在使用中，使得新品产生的热仅通过导线进行传播。但是，这种方法极易受到导线材质及形状的影响，导致散热效能大打折扣。相比较而言，共晶、覆晶接合方式效果更为明显，还能够显著提升散热传导能力，适合大面积推广和普及。
3.3 科学选择散热材料
在选择散热材料时，需要充分考虑材质导热性能、价格及工艺等，就金属材料而言，钻石及银导热效果最佳，但是价格极高，为此，可以选择铝合金材料作为主要散热材料。除此之外，散热器翅片尺寸设计对散热器也同样具有十分重要的影响。散热片主要是以辐射和对流散热，通过增加散热总的有效面积，提高散热性能。在对散热器进行优化设计中，要充分研究鳍片高度及间距等要素的相互影响，并进行参数试验，最后输出理论数据作为依据，使灯具散热效果达到最佳状态，厚度及高度的无限加大，不仅不会改善散热反而会增加重量，它们都有个最优值。
4、散热器的设计计算
4.1 LED灯具热分析公式：
Ｔj≧Ta+(Rthb-a×P)+(Rthj-sp×Pled) Rthb-a≦(Ｔj-Ta-Rthj-sp*Pled)/P
式中：Ｔj---------LED理论结点温度，单位:℃Ta----使用环境温度，单位:℃
Rthb-a----灯具散热部件总热阻，单位:℃/W；Pled-----单颗LED功率，单位:W；
P--LED总功率，单位:WRthj-sp----单颗LED热阻.单位:℃/W；
4.2散热计算公式：
RJA=RJC+RCB+RBARJA=（TJ－TA）/PDPD=VF×IF
RJA=(TJ－TC)/PD+(TC－TA)/PDRJC=(TJ－TC)/PD
RBA=(TC－TA)/PDTJ=RJC×PD+TC=RJC（IF×VF）+TC
式中：TJ是结温；TA是工作环境温度；TC是散热垫底部的温度；
RJA是总热阻；RJC是LED热阻；RCB敷铜层热阻；RBA是环境空气热阻；
4.3热阻（表征阻止热量传递的能力的综合参量）单位℃/W，方程式中用“R”或“θ”表示。导热热阻：R=L/（KA），L为平板厚度；A为平板垂直于热流方向的截面积；K为平板材料的导热率。对流换热热阻：R=1/（hA），h为对流换热系数，A为换热面积；
辐射热阻：（1）对于两个物体表面的辐射：R=1/（A1F1-2）或1/（A2F2-1）
（2）对于物体与环境大气的辐射：R=1/（hrA）
式中：A，A1，A2为物体互辐射的表面积；F1-2和F2-1为辐射角系数；hr为辐射换热系数；以上三种热阻或综合热阻也可以用以下的公式定义：
R12=（T1-T2）/Q（T1＞T2）
式中：T1，T2为某两点位置的温度；Q为通过的1，2点的传导热速率，则R12
为1，2点件的热阻。
5、散热器结构设计小结
结上述分析 : 一个散热片的散热效果主要取决于散热片与发热物体接触部分的吸热底和散热片的设计。性能优秀的散热器，其性能应满足三个要求：吸热快、热阻小、去热快。
1．吸热快：即吸热底与 LED模块间热阻小，可以迅速的吸收其产生的热量。为了达到这种效果，就要求吸热底与 LED模块结合尽量紧密，令金属材料与 LED模块直接接触，最好能够不留任何空隙。散热器的整体热阻就是由与 LED模块的接触面开始逐层累计而来，吸热底内部的热传导阻抗是其中不可忽视的一部分。为了将吸收的热量有效地传导到尽量多的鳍片上，因此还需要吸热底有较好的横向热传导能力，我们在设计灯具时首先满足吸热底有足够的厚度，同时考虑 LED模块的安装孔位进行加筋，也加强了灯具的整体性和机械强度。
２.热阻小：为了提升吸热能力，希望散热片与 LED模块紧密结合，不留任何空隙，一般加工方法加工出的表面是无法实现的。吸热底与 LED模块之间必然存在一定的空隙，如果空隙中是高热阻的空气，就无法得到良好的导热效果，因此，应采用具有较低热阻及较佳适应性的材料填充其中的空隙，这便是导热膏的用武之地。但导热膏的热阻始终要高于加工散热片的金属材料，使用它只是权宜之计，并非真正的解决之道，要想根本上提高散热片吸热底的吸热能力，就必须提高其底面平整度。平整度是通过表面最大落差高度来衡量的，通常散热片的底部稍经处理即可达到 0.1mm以下，采用铣床或多道拉丝处理可以达到 0.03mm，散热片的吸热底越平整热阻越小，越有利于热量吸收，但由于无法做到完美，涂抹导热膏成为了 LED模块安装到散热器的必须步骤，从而达到吸热的最佳效果。
３.去热快，建议 LED模块的吸热底和散热鳍片压铸成一体 ( 或焊接杨一个整体 ) ，即能够将从 LED组吸收的热量迅速的传导到鳍片部分，整个灯体和散热鳍片是裸露于空中，注意鳍片散发热气与气流方向要保持一致；才不会因气流而形成涡流而造成热气的滞留，进而由流动的气流顺利带走而散发，以最快是速度将热量散发。
结束语
LED照明产品的应用领域越来越广泛，产品换代更新日新月异，在争取市场的同时审慎评估自身产品的质量水平、研发方向，做好LED照明灯的散热设计一定经得起时间和环境考验，值得我们深入研究，从而提高LED照明灯整体质量。
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论文作者:李建雄
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第3期
论文发表时间:2018/6/26
标签：灯具论文; 热量论文; 散热片论文; 基板论文; 芯片论文; 散热器论文; 材料论文; 《建筑学研究前沿》2018年第3期论文;