大功率LED燈散熱器介紹

所謂led(Light-emitting Diode的縮寫) 燈是指采用半導(dǎo)體發(fā)光二極管技術(shù)做為發(fā)光源的一種新型環(huán)保照明產(chǎn)品。LED 燈具有省電節(jié)能，易控制、免維護、安全環(huán)保、使用壽命長等特點，其使用壽命可達50,000-100,000小時，遠超過傳統(tǒng)鎢絲燈泡的 1,000 小時及螢光燈管的10,000 小時。LED作為一種新型的節(jié)能、環(huán)保綠色光源產(chǎn)品，必然是未來發(fā)展的趨勢。

　　不過目前LED燈具產(chǎn)品尚有不足，除價格較高外，發(fā)光效率偏低，工作時會產(chǎn)生較多的熱量，需要散熱器將熱量導(dǎo)出并散發(fā)到環(huán)境中，否則將會影響LED的壽命甚至無法工作。

　　一. 普通照明大功率LED燈具(1W以上)介紹

　　1. 常見類型——球泡燈、射燈、蠟燭燈、管燈、吸頂燈、路燈、車燈等，并根據(jù)接口的規(guī)格不同有很多型號(部分燈具樣品如下圖)：

　　2.構(gòu)成——通常包括燈罩、LED燈板、散熱器、驅(qū)動電源、接口、絕緣膠或套(一般用于金屬散熱器)等(如下圖示)：

　　二.LED散熱器的作用及工作原理介紹

　　散熱器的主要作用是將LED芯片工作中產(chǎn)生的熱量不斷導(dǎo)出并散發(fā)到環(huán)境中，使芯片的溫度保持在所要求的范圍內(nèi)，從而保證LED燈能夠正常工作。散熱器的好壞主要取決于散熱器的熱阻，熱阻越小，相同條件下LED燈結(jié)溫越低，LED結(jié)溫越低，芯片使用壽命就會越長。散熱器的熱阻應(yīng)該包括導(dǎo)熱熱阻和散熱熱阻兩部分。對于一定形狀的散熱器，導(dǎo)熱熱阻主要與散熱器材料的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)，導(dǎo)熱系數(shù)越大，導(dǎo)熱熱阻越小，導(dǎo)熱效果越好;在一定環(huán)境條件下，散熱熱阻主要取決于散熱器的散熱面積以及散熱器表面材料的輻射系數(shù)，散熱面積越大、輻射系數(shù)越高，散熱熱阻越小，散熱效果越好。因此，LED燈具散熱器必須具有一定的散熱面積，同時制作散熱器的材料必須具有一定的的導(dǎo)熱性和較高的熱輻射系數(shù);另外，導(dǎo)熱材料本身還應(yīng)具有重量輕、易加工、價格低等特點。

　　三. 常見LED散熱器不同材質(zhì)介紹

　　所謂LED散熱器就是能夠?qū)ED芯片工作中產(chǎn)生的熱量快速地導(dǎo)出并散發(fā)到環(huán)境中的一個元件，因此作為散熱器僅具有一定的散熱面積是不行的，制作散熱器的材料必須具有一定的導(dǎo)熱性，也就是要具有較高的熱導(dǎo)率，才能將芯片產(chǎn)生的熱量不斷導(dǎo)出，并最終散到環(huán)境中;當然對于導(dǎo)熱材料，除了導(dǎo)熱性外，還應(yīng)當具有比重小、價格低、強度高、容易加工等特點。

　　常用材料通常包括金屬材料，無機非金屬材料和高分子材料三大類，其中高分子材料又包括塑料、橡膠、化學(xué)纖維等。導(dǎo)熱材料一般為金屬和部分無機非金屬材料。在常見金屬中，鋁和銅的導(dǎo)熱系數(shù)比較高，但銅的價格高，比重大，加工性不如鋁，而鋁質(zhì)散熱器完全能滿足LED散熱的要求，因此在LED金屬散熱器中以鋁質(zhì)散熱器為主，銅質(zhì)散熱器并不多見，另外也有少量散熱器是鐵質(zhì)的。導(dǎo)熱性好的無機非金屬材料加工前一般多為粉末狀，需要經(jīng)過特種工藝加工成型，加工成散熱器后基本為陶瓷狀;有些無機非金屬材料導(dǎo)熱系數(shù)很高又非常絕緣，但價格很高，如金剛石、氮化硼、氮化鋁等;有些雖然導(dǎo)熱系數(shù)高但不絕緣，類似金屬，如石墨、碳纖維等;并且將無機非金屬粉末加工成形狀復(fù)雜的陶瓷散熱器是非常困難的，因此，雖然陶瓷LED散熱器是有應(yīng)用的，但存在很大的局限性，需要進一步完善和提高。高分子材料本身導(dǎo)熱性是比較差的，但如果將導(dǎo)熱性好的金屬粉末或非金屬粉末添加到塑料或橡膠中，制成導(dǎo)熱塑料或橡膠等，其導(dǎo)熱性會大幅提高。導(dǎo)熱橡膠因其特有的彈性，是其它導(dǎo)熱材料無法替代的，因此在某些領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但因其剛性較差，作為散熱器材料可能不太合適，目前尚未見相關(guān)報道;導(dǎo)熱塑料單獨或配以金屬嵌件做成的LED散熱器是最近開發(fā)成功的新一代LED散熱產(chǎn)品，如果設(shè)計得當，可以達到壓鑄鋁散熱器的散熱效果，并且外表面絕緣，使用更加安全，是今后LED散熱器發(fā)展的方向。下面就幾種常見不同材質(zhì)的LED散熱器簡單作一介紹。

　　1.鋁質(zhì)散熱器——目前較常見的LED散熱器主要是鋁質(zhì)散熱器，一般包括壓鑄鋁和拉伸鋁散熱器兩種。主要原因是金屬鋁的導(dǎo)熱系數(shù)較高，比重小，易加工，價格便宜等。其中壓鑄鋁散熱器是目前最常用的，其導(dǎo)熱系數(shù)70-90W/m.K，外形較美觀，形狀可多變，價格適中;缺點是本身不絕緣，為了安全需要增加絕緣膠或套，而絕緣膠或套一般導(dǎo)熱較差，對散熱是不利的，同時成本也會增加。另外，壓鑄鋁散熱器模具成本高，不利于新品的開發(fā);生產(chǎn)過程需要消耗較多的能源，并且二次加工成本偏大。拉伸鋁散熱器導(dǎo)熱系數(shù)200W/m.K左右，導(dǎo)熱很好，一次加工成本較低，但往往需要二次加工，二次加工成本較高，而且形式較單一，同樣需要增加絕緣處理，目前主要用于路燈及較大功率的室內(nèi)LED照明。

　　2.導(dǎo)熱塑料散熱器——由國外幾家大公司開發(fā)出的導(dǎo)熱塑料LED燈具散熱器，不僅解決了鋁質(zhì)散熱器本身不絕緣的問題，而且散熱器的重量也有所減輕。目前生產(chǎn)LED散熱器導(dǎo)熱塑料的公司主要有荷蘭的帝斯曼，美國的SABIC，日本的 東麗公司等。導(dǎo)熱塑料主要是由尼龍、PBT等耐熱性好的塑料加入高導(dǎo)熱的無機填料，如氮化鋁、氮化硼等組成;其本身導(dǎo)熱系數(shù)并不是很高，一般只有1-6W/m.K左右，用導(dǎo)熱塑料單獨制成的LED散熱器散熱性也不是很好，只能用于較小功率的LED產(chǎn)品，因此實際上導(dǎo)熱塑料散熱器一般是由導(dǎo)熱塑料和內(nèi)嵌鋁件兩部分組成。鋁件采用沖壓鋁材，導(dǎo)熱系數(shù)200W/m.K以上，這種鋁塑復(fù)合散熱器的散熱性甚至可以與壓鑄鋁散熱器的散熱效果接近或相當，加工也相對容易。但是，現(xiàn)有導(dǎo)熱塑料的售價是相當高的，約合200-300元人民幣/Kg，制成散熱器的價格也比壓鑄鋁散熱器高，雖然在一些生產(chǎn)LED燈具的大公司如飛利浦公司等有一定應(yīng)用，但近期是無法大量替代鋁質(zhì)散熱器的。

　　3.Thertrans導(dǎo)熱塑料散熱器——最近由上海合復(fù)新材料科技有限公司獨立開發(fā)完成的導(dǎo)熱塑料散熱器Thertrans是由該公司開發(fā)的導(dǎo)熱塑料Therpoxy(已申請專利)和內(nèi)嵌鋁件(鋁件材質(zhì)同熱塑性LED散熱器)構(gòu)成。Therpoxy導(dǎo)熱塑料是由樹脂加入部分導(dǎo)熱填料及其它相關(guān)材料混合而成的一種導(dǎo)熱塑料，其導(dǎo)熱系數(shù)3.6W/m.K，價格每公斤100元人民幣左右。該材料具有導(dǎo)熱、絕緣、阻燃、耐熱、環(huán)保、耐老化、易成型、重量輕、價格較低等特點。其中阻燃可達到UL94V01.3mm，環(huán)保已完成ROHS認證，表面耐擊穿電壓4000V以上。Thertrans導(dǎo)熱塑料散熱器外形美觀，試樣多變，可用注塑機加工成型，其重量比相同形狀壓鑄鋁散熱器低三分之一左右，而且不必另外增加絕緣處理，甚至可以將螺紋口等與散熱器一起成型，有效減少了LED燈具生產(chǎn)廠家的組裝工序及成本。從測試結(jié)果看，Thertrans導(dǎo)熱塑料散熱器的散熱效果可以和相同形狀壓鑄鋁散熱器接近、相當甚至略好，說明Thertrans散熱器的綜合導(dǎo)熱系數(shù)與壓鑄鋁相差不大，或者說相同形狀的Thertrans導(dǎo)熱塑料散熱器和壓鑄鋁散熱器的熱阻基本一致。

　　Thertrans導(dǎo)熱塑料散熱器的導(dǎo)熱機理是LED產(chǎn)生的熱量首先通過鋁基板迅速傳導(dǎo)給內(nèi)嵌鋁件，再由鋁件通過導(dǎo)熱塑料傳導(dǎo)到散熱器外表面，最后散熱器外表面的熱量通過對流和熱輻射等方式散發(fā)到環(huán)境中。另外一般塑料的熱輻射系數(shù)都高于金屬鋁，因此導(dǎo)熱塑料散熱器表面到環(huán)境輻射散熱的效果應(yīng)該好于相同外形的鋁質(zhì)散熱器，即導(dǎo)熱塑料散熱器的輻射散

　　這種Therpoxy導(dǎo)熱塑料還可以通過加工設(shè)備快速封裝LED驅(qū)動電源，或?qū)⑸崞髋c驅(qū)動電源一體成型，這樣一方面可以有效地改善電源本身的散熱問題，另一方面封裝好的驅(qū)動電源可方便拆卸、更換。導(dǎo)熱塑料Therpoxy也可用于其它需要散熱的場合。

　　四.LED散熱器熱阻分析

　　通常所說的熱阻一般是指反映阻止熱量傳遞能力的一個綜合參數(shù)。熱阻的大小是反應(yīng)LED散熱器散熱性好壞的關(guān)鍵，熱阻越小，散熱器導(dǎo)熱、散熱效果越好。

　　散熱器的熱阻是指散熱器到環(huán)境的總熱阻，它由散熱器內(nèi)部熱量傳導(dǎo)過程中的導(dǎo)熱熱阻和散熱器外表面向周圍環(huán)境通過對流和輻射方式散熱過程的散熱熱阻兩部分組成。下面就LED散熱器各部分熱阻及其影響因素分別加以討論：

　　1. 散熱器本身導(dǎo)熱熱阻

　　散熱器導(dǎo)熱熱阻可用以下公式計算：

　　R導(dǎo)=(T1-T2)/W (熱阻單位為 ℃/W) ⑴

　　式中

　　R導(dǎo)——散熱器本身導(dǎo)熱熱阻

　　T1——與鋁基板接觸點處散熱器的溫度

　　T2——散熱器外表面平均溫度

　　W——LED燈功率

　　另外，根據(jù)能量守恒定律，熱平衡后LED燈產(chǎn)生的熱量與散熱器自身導(dǎo)出的熱量是相等的，用公式表示為：Q產(chǎn)=Q導(dǎo)+Q罩(熱量從燈罩散出的很少，為便于分析，在此忽略不計)，其中

　　Q產(chǎn)=a.W ⑵

　　Q導(dǎo)=b.s.(T1-T2)/L ⑶

　　式中

　　Q產(chǎn)——LED工作時產(chǎn)生的熱量

　　Q導(dǎo)——散熱器本身導(dǎo)出的熱量

　　T1——與鋁基板接觸點處散熱器的溫度

　　T2——散熱器外表面平均溫度

　　a——LED產(chǎn)熱系數(shù)

　　W——為LED燈實際功率

　　b——散熱器材料綜合導(dǎo)熱系數(shù)

　　s——散熱器平均傳熱面積

　　L——散熱器熱傳導(dǎo)平均距離

　　對于特定散熱器b、s、L是一定的，因此公式⑶可簡化為Q導(dǎo)=m.(T1-T2)，其中m=b.s/L，經(jīng)推導(dǎo)可知m.(T1-T2)=a.W，因此(T1-T2)=a.W/m，帶入公式⑴可知R導(dǎo)=a/m，由此公式可以看出對于特定散熱器，在LED燈源一定的情況下，散熱器的熱阻是一個定值。另外，在熱阻計算公式中W代表的是LED的總功率，而LED在工作中一部分功率用于發(fā)光，一部分功率轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，因此既然是計算熱阻，公式中的W換成產(chǎn)熱功率(a.W)更為科學(xué)，這樣R導(dǎo)=1/m=L/(b.s),就是說散熱器本身熱阻與電阻一樣，是一個僅跟散熱器本身參數(shù)有關(guān)的常數(shù)，它與散熱器平均傳熱距離成正比，與散熱器平均傳熱面積、散熱器材料導(dǎo)熱系數(shù)成反比。

　　2.散熱器表面到環(huán)境的散熱熱阻

　　散熱器表面到環(huán)境空氣的散熱熱阻可用下式計算：

　　R散=(T2-T3)/a.W ⑷

　　式中

　　R散——散熱器表面到環(huán)境的散熱熱阻

　　T2——散熱器外表面平均溫度

　　T3——環(huán)境溫度

　　W——LED燈功率

　　a——LED產(chǎn)熱系數(shù)

　　散熱器外表面向環(huán)境散熱的方式主要以對流為主，其次為熱輻射，熱傳導(dǎo)很小可以忽略不計。散熱器的對流及輻射散熱公式如下：

　　Q流=c.(T2-T3).S散 ⑸

　　Q輻=d.(T42 -T43).S散(此式中T為絕對溫度) ⑹

　　式中

　　Q流——散熱器表面到環(huán)境的對流散熱

　　Q輻——散熱器表面到環(huán)境的輻射散熱

　　c——散熱器周圍環(huán)境的自然對流系數(shù)

　　d——散熱器表面材料的輻射系數(shù)

　　S散——散熱器外表面積

　　T2——散熱器表面平均溫度

　　T3——環(huán)境溫度

　　根據(jù)能量守恒定律，LED燈熱平衡后Q產(chǎn)=Q導(dǎo)+Q罩=Q散+Q罩=Q流+Q輻+Q罩(熱量從燈罩散出的很少，為便于分析，在此忽略不計)，即a.W=c.(T2-T3).S散+d.(T42-T43).S散。

　　在一定環(huán)境條件下，對于特定散熱器而言，對流系數(shù)、輻射系數(shù)是恒定的，散熱面積也是一定的;對于恒定電源，產(chǎn)熱功率是一定的，那么由以上公式可知(T2-T3)是一定的，因此散熱器到表面環(huán)境的散熱熱阻是一定的。但如果燈源的產(chǎn)熱功率(a.W)增大(或減小)，散熱器外表面溫度也會升高(或降低)，分析一下輻射散熱公式可以知道，散熱器外表面溫度T2升高(或降低)的比例小于產(chǎn)熱功率增加(或減小)的比例;因此散熱器外表面到環(huán)境空氣的熱阻與產(chǎn)熱功率有關(guān)，產(chǎn)熱功率增加，散熱器表面到環(huán)境的熱阻應(yīng)該略減小，相反，產(chǎn)熱功率降低，散熱器表面到環(huán)境的熱阻會略升高。

　　對于不同散熱器，在產(chǎn)熱一定的情況下，由公式⑸、⑹可知散熱面積、對流系數(shù)、輻射系數(shù)越大，(T2-T3)就越小，那么散熱器熱阻也越小。也就是說，散熱器的散熱熱阻不僅與其本身的散熱面積以及散熱器表面材料的輻射系數(shù)有關(guān)，還與LED燈所處環(huán)境的通風(fēng)情況也就是周圍空氣的自然對流系數(shù)有關(guān)，是一個可變量。

3.散熱器(到環(huán)境)的總熱阻

　　散熱器的總熱阻等于散熱器本身導(dǎo)熱熱阻加上散熱器表面到環(huán)境的散熱熱阻，散熱器到環(huán)境的熱阻可通過以下公式計算：

　　R3=R1+R2=(T1-T3)/a.W ⑺

　　通過前面的分析可以知道，影響散熱器總熱阻的因素可以概括如下：

　　⑴.散熱器本身參數(shù)的影響：散熱器平均傳熱距離越短，散熱器熱阻越小;散熱器平均傳熱面積越大，散熱器熱阻越小;散熱器材料導(dǎo)熱系數(shù)越大，散熱器熱阻越小;散熱器散熱面積越大，散熱器熱阻越小;散熱器表面材料的輻射系數(shù)越大，散熱器熱阻越小

　?、?對流系數(shù)的影響：散熱器周圍環(huán)境通風(fēng)越好，自然對流系數(shù)越大，散熱器熱阻越小

　　⑶.產(chǎn)熱功率的影響：同一散熱器，同樣環(huán)境下，實際產(chǎn)熱功率越大，散熱器的熱阻反而略有減小。

　　所以散熱器的總熱阻不僅與散熱器的散熱面積、幾何尺寸、表面材料的輻射系數(shù)等自身因素有關(guān)，還受LED的產(chǎn)熱功率以及周圍環(huán)境的對流系數(shù)等外部因素的影響，并不是一個恒定的數(shù)值。但一般來說，在自然對流情況下對流系數(shù)變化并不大，正常情況下LED產(chǎn)熱功率的變化也不會太大，對熱阻的影響應(yīng)該很小。為便于分析和計算，我們在應(yīng)用時可近似認為散熱器的總熱阻是一定的。

　　五.散熱器散熱性測試方法介紹

　　在此選擇形狀相近的壓鑄鋁和Thertrans導(dǎo)熱塑料兩款散熱器進行測試，并對測試結(jié)果進行分析、對比。

　　1. 實驗設(shè)備

　　四通道溫度測試儀——精度0.1℃

　　感溫線

　　數(shù)顯溫度計

　　電腦

　　2. 測試樣品

　?、?A19壓鑄鋁散熱器——市購(表面噴白漆)

　?、?TR-E101W Thertrans導(dǎo)熱塑散熱器(內(nèi)置鋁套)——上海合復(fù)復(fù)合材料科技公司(表面噴白漆)

　　以上兩款散熱器尺寸基本相同，散熱面積相當，如下圖示

　　3. 測試燈源——六顆燈珠(串聯(lián))LED(發(fā)光效率20%左右)

　　4.測試電源——5W直流驅(qū)動電源(測試時置于散熱器外部)

　　5.溫度計量點

　　* LED燈角溫度——感溫線與燈角錫焊(近似等同于結(jié)溫)

　　* 鋁基板下端面溫度——感溫線與鋁基板螺絲連接(近似與鋁基板接觸點散熱器溫度)

　　* 散熱器外表面葉片溫度——感溫線與葉片鐵夾固定(位置固定)

　　* 環(huán)境溫度——感溫線自然放置

　　6.測量方法

　　首先，將測溫儀、LED燈板、電源、散熱器、電腦、感溫線等按要求連接好，接通電源并開始測溫，每組實驗，待溫度曲線相對穩(wěn)定一定時間后，保存測試曲線和數(shù)據(jù)，并做好記錄。每組實驗至少測量三組數(shù)據(jù)，最后取平均值。

　　7.測試結(jié)果

　　A. 壓鑄鋁散熱器測試結(jié)果及曲線(縱軸為溫度，橫軸為時間)：

　　B.Thertrans導(dǎo)熱塑料測試結(jié)果及曲線(縱軸為溫度，橫軸為時間)：

　　8.結(jié)果分析

　　從以上測試結(jié)果可以看出，A19壓鑄鋁散熱器燈角溫度63.1℃，環(huán)境溫度27.1℃;TR-E101W Thertrans導(dǎo)熱塑散熱器燈角溫度62.4℃，環(huán)境溫度27.9℃。下面我們再用公式 ⑺ 計算一下兩款散熱器的熱阻，壓鑄鋁散熱器的熱阻R1=(63.1—27.1)/(5×0.8)=9℃/W，Thertrans導(dǎo)熱塑料散熱器的熱R2=(62.4—27.9)/(5×0.8)=8.6 ℃/W(由于散熱器表面平均溫度很難測定，在此無法準確計算散熱器的導(dǎo)熱熱阻和散熱熱阻)。通過以上分析可以說明，相同形狀的導(dǎo)熱塑Thertrans料散熱器與壓鑄鋁散熱器散熱效果可以做到相當或略好。另外，從散熱器圖片可以看出壓鑄鋁散熱器因為本身不絕緣，需要另外增加絕緣塑料套，而導(dǎo)熱塑料散熱器因為本身絕緣可以不用另外絕緣處理，因此更便于使用，也更安全。

　　六.LED散熱器的選型及設(shè)計要點介紹

　　要想設(shè)計或選擇一款合適的散熱器產(chǎn)品，不但要保證散熱器的外型美觀、易加工、價格低，更重要的是要滿足LED芯片的散熱要求，使LED工作溫度保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。

　　首先我們了解一下影響LED燈結(jié)溫的因素。根據(jù)我們的經(jīng)驗，對影響LED結(jié)溫的因素進行了如下歸納，供大家參考：

　　1. LED燈板——

　　LED燈功率：功率越大結(jié)溫越高

　　芯片發(fā)光效率：同樣功率，芯片發(fā)光效率越高，產(chǎn)熱越少，結(jié)溫越低

　　燈珠數(shù)量及分布：同樣功率，鋁基板越大，燈珠越多，分布越均勻，結(jié)溫越低

　　2. LED鋁基板與散熱器的連接(鋁基板與散熱器之間的熱阻)——

　　鋁板：鋁基板與散熱器直接相連比鋁基板加鋁板(如鋁基板太小，無法與散熱器直接相連，需外加鋁板)再與散熱器相連的LED結(jié)溫低;鋁板、鋁基板表面平整度越好一般結(jié)溫越低

　　連接方式：在機械連接情況下涂少量導(dǎo)熱硅脂，LED結(jié)溫一般要低

　　3. 散熱器——散熱器熱阻越小LED結(jié)溫越低
　　4.環(huán)境溫度——環(huán)境溫度越低LED結(jié)溫也越低

　　從以上影響因素可以看出要想降低LED燈的結(jié)溫，首先要選擇合適的燈板，在功率一定的情況下，LED芯片發(fā)光效率越高，工作時產(chǎn)生的熱量越少，因此盡量選用發(fā)光效率高的芯片制作的燈板。在燈板和驅(qū)動功率確定的情況下，除優(yōu)化連接方式外，影響LED結(jié)溫最主要的因素就是所選散熱器的熱阻大小，散熱器的熱阻越小，LED的結(jié)溫越低，燈具的使用壽命越長。關(guān)于散熱器熱阻的影響因素前文已經(jīng)進行了詳細的介紹，用戶可以根據(jù)自己的實際要求并與散熱器廠家進行溝通，應(yīng)用散熱器熱阻的知識經(jīng)過合理的分析及自身的經(jīng)驗，最好建立一套合理的數(shù)理模型，選擇或設(shè)計出一款比較合適的LED散熱器產(chǎn)品。