LED灯散热简述
课 程： 照明工程
姓 名： 王文君
学 号： 1215103044
专 业： 电科
（一）
任课教师： 郭震宁
时 间：2015 年 07 月 12日
目录
摘要 .............................................2 1 引言 ...........................................3
2、LED发热的原因 .................................4
3、与LED散热有关的主要参数 ......................4
4、散热方式 ......................................6 4.1.主动式散热 .................................6 4.2、被动散热 ..................................9
5、新型散热材料 .................................10
6、散热实例 .....................................12 6.1.LED显示屏的散热设计 .....................12 6.2.汽车前大灯的散热技术 ....................12
7、心得体会...........................................................14
8、结束语 .......................................14
9、参考文献 .....................................14
摘要 新一代大功率LED灯光源具有环保和节能等很多优点，但大功率LED灯散热性差，易导致灯具光功率减小、芯片加速老化、工作寿命减短等问题，因此散热是制约其发展的一个至关重要的因素。本文通过对大功率LED灯光源发热的原因的探讨，综合阐述了目前广泛运用的大功率LED灯散热技术、新型散热材料等，并通过有限的几个散热实例加深对大功率LED灯光源散热技术的了解和认识。 关键词：大功率LED灯、散热技术、散热材料、散热实例
1 引言
发光二极管（Light Emitting Diode,LED）是21世纪最具发展前景的一种新型冷光源。LED的发光机理是靠PN结中的电子在能带间跃迁产生光能,芯片会有发热现象,特别是大功率LED,使用多个LED组装成一个模组,散热量大大增加。目前LED只有15%-20%的能量转化为光能,剩余80%-85%的能量都转化为热能,而芯片尺寸仅为112.52.5mm2，导致芯片的功率密度很大（达1W/mm2量级）。但是LED器件的散热性比较差，首先因为白光LED的发光光谱中不包含红外部分，即其热量不能依靠辐射释放；其次，LED灯具的扩散热阻及解除热阻都很大。而散热性差会导致很严重的后果，比如减少LED的光输出，缩短器件的寿命，偏移LED所发光的主波长等。因此, 如何使这些热能以最短的路径, 最快速的方法, 并且最大化的散发出去成了关键问题之一。
LED的热管理主要包括3个方面：芯片级、封装级和系统集成散热级。其中，芯片是主要的发热部件，其量子效率决定发热效率，衬底材料决定芯片向外传热效率；对封装而言，封装结构、材料以及工艺直接影响散热效率；系统集成散热级也就是所谓的外部散热器，主要包括散热片、热管、风扇、均温板等。近年来，LED散热问题逐渐被国内外学术界关注，相应地开展了各种研究，然而由于LED灯散热多为经验化设计，散热系统专业性比较差，以至于目前LED灯的散热问题仍然很严重。因而，对大功率LED灯进行热分析和热设计具有重要的现实意义。
本文首先介绍了LED灯的发热原因及目前的一些散热方式和部分新型的散热材料，在此基础上再对几个散热实例深刻剖析。
2、LED发热的原因
LED灯泡发热的原因是因为所加入的电能并没有全部转化为光能，而是一部分转化成为热能，电光转换效率20~30%左右。也就是说大约70%的电能都变成了热能。
热的传播方式有“热传导”、“对流”、“热辐射”三种形态，晶格振动的传播、金属中自由电子的移动属于“热传导”，流体运动传热属于“对流”，通过电磁波传热是“热辐射”。
3、与LED散热有关的主要参数
热阻是指器件的有效温度与外部规定参考点温度之差除以器件中的稳态功率耗散所得的商。它是表示器件散热程度的最重要参数。目前散热较好的功率LED热阻≤10℃/W，国内报道最好的热阻≤5℃/W，国外可达热阻≤3℃/W，如做到这个水平可确保功率LED的寿命。
结温是指LED器件中主要发热部分的半导体结的温度。它是体现LED器件在工作条件下，能否承受的温度值。从根本上讲，结温的上升降低了PN结发光复合的几率。表现在光源上就是发光亮度下降，产生了饱和现象。为此美国SSL计划制定提高耐热性目标。芯片及荧光粉的耐热性还是很高的，目前已经达到芯片结温在150℃下，荧光粉在130℃下，基本对器件的寿命不会有什么影响。说明芯片荧光粉耐热性愈高，对散热的要求就愈低 。
LED结温的产生是由于两个因素所引起的：（1）内部量子效率不高，也就是在电子和空穴复合时，并不能100%都产生光子，通常称为由“电流泄漏”而使PN区载流子的复合率降低。泄漏电流乘以电压就是这部分的功率，也就是转化为热能，但这部分不占主要成分，因为现在内部光子效率已经接近90%。(2)内部产生的光子无法全部射出到芯片外部而最后转化为热量，这部分是主要的，因为目前这种称为外部量子效率只有30%左右，大部分都转化为热量了。
图1.光衰和结温的关系
结温不但影响长时间寿命，也还直接影响短时间的发光效率，例如Cree公司的XLamp7090XR-E的发光量和结温的关系如图2所示。
图2.结温和发光量的关系
温升有几种不同的温升，我们这里所讨论的是：管壳－环境温升。它是指LED器件管壳（LED灯具可测到的最热点）温度与环境（在灯具发光平面上，距灯具0.5米处）温度之差。它是一个可以直接测量到的温度值，并可直接体现LED器件外围散热程度，实践已证明，在环境温度为30℃时，如果测得LED管壳为60℃，其温升应为30℃，此时基本上可确保LED器件的寿命值，如温升过高，LED光源的维持率将会大幅度下降。
4、散热方式
一般说来，依照从散热器带走热量的方式，可以将散热器分为主动式散热和被动式散热。所谓的被动式散热，是指通过散热片将热源LED光源热量自然散发到空气中，其散热的效果与散热片大小成正比，但因为是自然散发热量，效果当然大打折扣，常常用在那些对空间没有要求的设备中，或者用于为发热量不大的部件散热，如部分普及型主板在北桥上也采取被动式散热，绝大多数采取主动式散热式，主动式散热就是通过风扇等散热设备强迫性地将散热片发出的热量带走，其特点是散热效率高，而且设备体积小。
4.1.主动式散热
从散热方式上细分，可以分为风冷散热、液冷散热、热管散热、半导体制冷、化学制冷等等。
风冷散热是最常见的散热方式，相比较而言，也是较廉价的方式。风冷散热从实质上讲就是使用风扇带走散热器所吸收的热量。具有价格相对较低，安装方便等优点。但对环境依赖比较高，例如气温升高以及超频时其散热性能就会大受影响。
液冷散热是通过液体在泵的带动下强制循环带走散热器的热量，与风冷相比，具有安静、降温稳定、对环境依赖小等等优点。液冷的价格相对较高，而且安装也相对麻烦一些。同时安装时尽量按照说明书指导的方法安装才能获得最佳的散热效果。出于成本及易用性的考虑，液冷散热通常采用水做为导热液体，因此液冷散热器也常常被称为水冷散热器。
半导体制冷就是利用一种特制的半导体制冷片在通电时产生温差来制冷，只要高温端的热量能有效的散发掉，则低温端就不断的被冷却。在每个半导体颗粒上都产生温差，一个制冷片由几十个这样的颗粒串联而成，从而在制冷片的两个表面形成一个温差。利用这种温差现象，配合风冷/水冷对高温端进行降温，能得到优秀的散热效果。半导体制冷具有制冷温度低、可靠性高等优点，冷面温度可以达到零下10℃以下，但是成本太高，而且可能会因温度过低导致造成短路，而且现在半导体制冷片的工艺也不成熟，不够实用。
化学制冷就是使用一些超低温化学物质，利用它们在融化的时候吸收大量的热量来降低温度。这方面以使用干冰和液氮较为常见。比如使用干冰可以将温度降低到零下20℃以下，还有一些更“变态”的玩家利用液氮将CPU温度降到零下100℃以下(理论上)，当然由于价格昂贵和持续时间太短，这个方法多见于实验室或极端的超频爱好者。
SynJet替代风扇：SynJet的大致原理是一个类似振动膜的元件以一定频率振动压缩腔内的空气，空气受压缩后从细小的喷嘴高速喷出，形成空气弹喷向散热片，同时空气弹带动散热片周围的空气流动带走热量。
均热板技术：热能有个规律，它会往热阻值低的地方传递。如果热量无法通过散热介质传导出去，它就会传递到PCB上，长时间运行会导致PCB过热变形、损坏。因此，满载做功时单位面积内的巨大热能是一个显卡最难克服的散热问题。下面是目前几种传统散热方式在热传密度上的横向比较：
一个50cm2，6mm厚的真空均温板HeatFlux热传密度可达115W/cm2，是铜热管的10倍以上，VaporChamber真空腔均热板比纯铜基板具有更好的热扩散性能，特别适合于大功率的CPU、GPU的使用。
如图所示，为真空腔均热板散热过程示意图，芯片产生热能通过大面积均热板迅速吸收和传导，使封装的介质开始由液体转化为气体，通过蒸发区将热能带出。气态介质膨胀至整个真空腔，将带出的热能迅速传导到整个封装的铜内腔体中并传导到铝鳍片上。铝鳍片的热能经过风扇强制对流冷却后，使工质失去热能冷却，变化为液态通过内腔管壁毛细作用，然后回流到底部蒸发区，又吸收到新的热能，并再度气化将热带出，形成一个循环。
总结起来，真空均热板优势有：
一.均热板的阻抗为业界中最低之一，将300W应用于25mmx25mm时的测量值为0.05C/W
二.尺寸外型非常灵活，均热板面积可达200mmx200mm
三.克服了方向性限制，全面提升了电子组件/系统的效能
自激式振荡流热管/环路热管：它们作为传统热管技术的延伸，也是依靠液体相变实现换热的，传热能力较烧结热管提高20-30%，具有传热效率高、结构简单、成本低、适应性好、热输运距离远等特点，是解决大功率LED灯散热问题最为有效的解决方案。
离子风散热技术：Teera把这套系统命名为EHD(Electro Hydro Dynamic电子液动力)散热，其概念实际上相当简单，基于正负电子中和的原理，由一对电极的一端产生正电离子，飞向另一端的负电离子，便能带动空气形成稳定气流，即“离子风”带走热量，在完全没有活动部件的情况下实现了静音散热。
离子风的散热技术，与现在的散热技术相比，这种新的散热技术可以提升250%的散热效率。采用这种技术的离子风引擎两端各有一个高电压电极，电极之间的电压差高达数千伏，在这种情况下，空气中的气体分子实现离子化就产生了离子风，这种离子风可以高效的带走芯片所产生的热量。这种离子风引擎可以安装在需要散热的芯片上，这样无需风扇就可以起到强大的散热作用，并且其散热效率远高于目前的散热产品。
如果普通散热器可以将温度降到60°C的话，这种离子风散热引擎可以将温度降至35°C。在热管的帮助下，离子风引擎散热效果与现在的散热技术相比可以提升250%。目前相关技术人员正在努力使离子风技术支持低电压运行环境。 合成射流冷却法
合成射流替代了传统的风扇；对于LED散热来说是一个极佳的选择。通过隔膜的运动，引起气流在开口处的周期性吸入与发射，从而形成了射流；如图1所示。图1中前三个画面显示了气体的发射阶段：此阶段形成了带有旋涡的射流；射流处气体向下对流。一旦旋涡流向下行，开口处附近的空气就会被带动，从而形成射流；如图1中后两个画面所示。该急速湍流空气每秒脉冲数可达30至200，冲破热界面层，提高从热源（主要是LED散热片）出散发的大部分热量；从而排放掉大量的热。这种高速脉冲气流能精确放置于需要冷却的地方，例如散热片翼；从而进一步提高合成射流的散热效率。
纳米碳球应用于辐射散热技术：受限于节能与产品轻薄短小之需求，非主动散热日益受重视，应用辐射红外线的涂料散热方式是目前相当热门的研究领域，特别是应用于高功率LED与太阳电池等产品，其散热好坏会直接反应在产品效能上，并且为了节能减碳的诉求，这类产品通常不会加装风扇散热。一般导热材必须有高的Loading，藉由填充粒子间的界面接触传导热，因此界面阻抗成为主要的热能传递障碍。碳簇材料(黑体)辐射冷却效果佳。在相同温度(90°C)下，以红外线摄相仪观测，有涂装的很火红(辐射发射率达98%)，并且明显降温速度较快，显示涂层具辐射冷却效果。将此应用于单颗5WLED台灯制品，LED温度可由75.1°C降至50.8°C，亮度增加30%且寿命可大幅提升(图六)。辐射散热的效果常随散热鳍片之设计而略有不同，一般来说，涂装纳米碳球之鳍片可较相同形状未涂装样品降温达6°C以上。因应节能与非主动散热需求，产品可藉简易的涂布技术应用于铝鳍片散热、LED照明、车灯、工业计算机、太阳能电池散热、随身装置、游戏机等应用产品。相关产品市场产值大，目前成果已商品化应用于LED台灯产品。
静音气冷技术(Silent Air-cooling Technology, Silent ACT)已是一种相当接近未来散热系统的要求而被看好的新技术。其散热原理是透过一个高强度电场把电极头周围的空间离子化，当离子从电极移至收集电极时，就会和中性的空气粒子互撞且传递电荷，接着则会移动及产生气流空气分子离子化，最后再透过电场来推动气流。
静音气冷技术运作示意图
4.2、被动散热
指仅通过散热器本身，将在LED照明过程中产生的热量分散出去，达到降低结温的效果，主要有直接自然对流散热和热管(平板热管、环路热管和翅片式热管)技术散热两种 热管：热管属于一种传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量，具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点，并且由热管组成的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小等优点。其导热能力已远远超过任何已知金属的导热能力。
5、新型散热材料
陶瓷材料：陶瓷属于非金属材料，晶体结构中没有自由电子，具有优秀的绝缘性能。它的传热属于声子导热机理，当晶格完整无缺陷时，声子的平均自由程越大，热导率就越高。理论表明，陶瓷晶体材料的最大导热系数可高达320W/mK。
塑包铝材料：铝是最好的散热材料，但是铝制品价格昂贵且使用频率较低，工艺本身受到极大限制，因而款式少，长期以往限制了其发展和更新的速度。塑料本身是绝缘体，而且散热性能较佳，价格低廉，但是相对金属来说，散热性能差一些，而具有革新意义的塑包铝成为散热首选。塑包铝结合塑料与铝的特性，增强了导热材料的安全性，也提升了散热套件的实用性、美观性，还在很大程度上降低了使用成本，是值得推广的安全散热材料。
镁合金材料：传统材料上，铜的热导率最高，是很好的散热材料，但铜的成本高、密度大， 限制了其在散热器上的应用；铝的热导率较高、成本较低，是散热器的主要材料。镁的热导率虽比铝稍低，也属于良好的导热材料，镁合金的散热速率显著优于铝合金及铜合金，相对于原来广泛采用的Al合金，镁合金在LED照明散热材料方面具有广泛的应用前景，正受到国内外的广泛关注。
石墨烯材料：金属材料在LED散热应用方面存在难于加工、耗费能源、密度过大、导电、易变形以及废料难回收等诸多问题，几乎没有太大的降价空间。而纳米石墨烯导热塑料如应用在LED灯具散热上，其系统成本至少可以降低30%。石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的纳米新材料，是目前人类所发现的几乎完美的平面原子结构，其出色的导电、导热以及散热性能让各行各业均对其寄予厚望。
石墨烯属于稀土材料，正渐渐取代金属部件应用于LED灯具的导热零件，包括灯座、冷却散热灯杯和外壳等。石墨烯相对于金属材料，具有散热均匀、重量轻，造型设计灵活等特点。
多孔性物质：热量利用声子和震动的量化单位(作为载热粒子)穿过材料。当声子跑进一个孔里时，它会分散、损失能量。因此，声子不能有效地携带热量通过多层材料。这导致该材料的导热系数会比较低。而这一低导热率会提高热电转化效率。材料的孔越多，则导热系数越低，就越适合做热电材料。总的来说，研究人员发现当孔越小、挤得越密时，导热系数就越低。Niarchos 说他们的运算结果与其他实验得出的数据非常吻合。他们也表示，微纳米多孔材料基本上比无孔材料的热-电转化率要高出好几倍
聚合物材料：通常都是热绝缘体，但美国研究人员通过电聚合过程使聚合物纤维排成整齐阵列，形成一种新型热界面材料，导热性能在原有基础上提高了20倍。佐治亚理工学院乔治·伍德拉夫机械工程学院助理教授巴拉图德·克拉说，新的热界面材料是利用共轭聚合物聚噻吩制成的，其整齐的纳米纤维阵列既有利于声子的转移，也避免了材料的脆性。新材料在室温下的导热率达到4.4瓦/米·开尔文，并已在200℃温度下进行了80次热循环测试，性能依旧稳定；相比之下，芯片和散热片之间的热界面常用的焊锡材料，在回流的高温过程中工作时可能会变得不可靠
惰性液体冷却材料：新型LED替代灯依靠惰性液体冷却，实现高电流驱动下只需少量组件便可获得更高亮度。 新产品系列有独特的结构设计，把LED面向外固定在金属插指上，灯泡内注入惰性液体用来散热，这样在配备较少灯具组件的情况下可达到很好的散热效果，从而实现高电流作业，获得高亮度。
液态金属：液态金属导热率远高于常规散热工质，能在一个较宽的温度范围（从室温直到2300℃）内始终保持液态，不会像普通液体易于因气液相变导致过高压力而发生危险，特别是由此研制成的散热器十分紧凑。经实验室对200至900瓦功率器件的散热测试表明，液态金属散热技术具有快速高效的热量输运能力，体现出了稳定可靠、能耗低等诸多领先于传统散热方式的优点，有望成为高端LED光源热管理的理想解决方案。
6、散热实例
6.1.LED显示屏的散热设计
1、空气流体力学，利用灯壳外形，制造出对流空气，这是最低成本的加强散热方式。
2、导热塑料壳，在塑料外壳注塑时填充导热材料，增加塑料外壳导热、散热能力。
3、铝散热鳍片，这是最常见的散热方式，用铝散热鳍片做为外壳的一部分来增加散热面积。
4、表面辐射散热处理，灯壳表面做辐射散热处理，简单的就是涂抹辐射散热漆，可以将热量用辐射方式带离灯壳表面。
5、导热管散热，利用导热管技术，将热量由LED全彩显示屏芯片导到外壳散热鳍片。在大型灯具，如路灯等是常见的设计。
6、风扇散热，灯壳内部用长寿高效风扇加强散热，这种方法造价低、效果好。但是，要换风扇就是麻烦而且也不适用于户外，这种设计较为少见。
7、液态球泡，利用液态球泡封装技术，将导热率较高的透明液体填充到灯体球泡内。这是目前除了反光原理外，唯一利用LED芯片出光面导热、散热的技术。
8、导热散热一体化--高导热陶瓷的运用，灯壳散热的目的是降低LED全彩显示屏芯片的工作温度，由于LED芯片膨胀系数和我们常的金属导热、散热材料膨胀系数差距很大，不能将LED芯片直接焊接，以免高、低温热应力破坏LED全彩显示屏的芯片。最新的高导热陶瓷材料，导热率接近铝，膨胀系可调整到与LED全彩显示屏芯片同步。这样就可以将导热、散热一体化，减少热传导中间过程。
6.2.汽车前大灯的散热技术
（1）.散热设计
汽车前大灯用LED是目前OSRAM公司最大功率的一种LEUMD1W4[3]；管芯散热设计选用了一种更利于散热的LE3S封装[1]。这种封装的特点是，以面积较大的铜合金散热垫为基座，管芯固定在基座中央。同时将LED基座与铝基板接触区域的绝缘介质剥离，使铜合金基座与铝基板直接接触。基座上的热直接传导至LED的外部。这种内部结构去处了管芯和基座之间的介质减少了热阻，更直接地将管芯的结温导出(见图2a)。
图2 ：汽车大灯用L ED、等效热阻散热路径图（点击图片放大） 汽车前大灯主要散热路径是：管芯→铜合金基板→铝基板→散热器或机壳→环境空气，(见图2b)。若LED的结温为TJ，环境空气的温度为TA，散热垫底部的温度为Tc(TJ>Tc>TA)，在热传导过程中，各种材料的导热性能不同，即有不同的热阻。管芯传导到散热垫底面的热阻为RJC(LED的热阻)、散热垫传导到PCB面层敷铜层的热阻为RCB、PCB传导到环境空气的热阻为RBA，则从管芯的结温TJ传导到空气TA的总热阻RJA，RJA与各热阻关系为：RJA=RJC+RCB+RBA，铜合金基板和铝基板导热性能接近且热阻小，其导热性能就好，即散热性能也越好[2]。该散热结构的总热阻比常规结构减少近26%。
（2）、车灯环境的系统设计
由于现阶段的LED的输出光通量低，仅汽车近光灯就需要1000lm以上。考虑到汽车前大灯的配光要求以及电学、光学参数的稳定性，LED应用于汽车前大灯常需要集几颗甚至几十颗LED元件于一块模组中，才能满足车灯法规所需的要求。目前，我们针对O2star[1]和X2lamp产品的类似封装进行配光设计。其中OSTAR4chip车灯专用的LEUMD1W4[3]单只LED输出光通量大于350lm，阵列3只这种LED即可满足车灯1000lm的基本要求。
(1)扩大散热面积提高传导效率。在LED汽车前大灯近光单元设计中，3颗大功率LED阵列在铝基板上。这种紧密排列的大功率LED热量的高度集中和散热难度可想而知。试验样件的做法是铝基板与散热器紧密贴合固定。二者之间的填充了性价比较高且使用简单的导热硅脂，在整个散热系统中，硅脂层其实是散热关键之所在。目前主流导热硅脂的导热系数均大于1W/m·K，优质的可达到6W/m·K以上，试验选择了性价比较高导热率达到4。4W/m·K的TG2244导热硅脂。
图3：风冷和外置散热（点击图片放大） (2)强制对流提供与外界空气热交换。在散热片的背面加装风扇促使强制空气流动。风扇加速了散热片的热交换的同时，流动的空气也直接从PCB板上带走了部分热量。由于灯体的狭小且密封，与外界的空气对流几乎不可能。图3a所示风冷结构中风扇的强制对流可以缓解散热器中心区域与周围环境的温度不均匀，使灯体内部和灯体外壳的温度尽量接近。有助于将内部的热通过外壳和外置散热器传导出去。
(3)散热器部分外置。根据发动机舱内的分布及灯体安装的空间大小，将灯体散热器设计为内置和外置二个部分，如图3b所示。外置散热器设计在灯壳的上缘。内置LED产生的热由内置散热器传导到外置的散热片上，再通过对流散热。考虑到灯光通常在行驶时开启，发动机舱受到强对流风冷的作用，温度相对较低。加之车灯外壳上缘恰好暴露在车前盖的缝隙处，车辆行驶时车盖缝隙导入的气流流经外置散热片的翼片，外置散热器受到空气的风冷。外置散热器对灯内的降温发挥了很好散热作用。
7、心得体会
借此次写课程论文的机会，我对一些LED器件的散热技术进行了整理归纳，通过此次归纳整理，我不仅对LED的散热技术有了更深的认识和了解，而且自己也从这次的论文中学到了一些关于LED的散热技巧和掌握了一些常见散热问题的解决方法，同时本门课程和这次的论文学习也让我找到了大学及以后的努力方向。
8、结束语
本文通过对大功率LED灯发热原因的分析，并总结了多种散热方式和一些新型的散热材料，最后通过LED显示屏和汽车前大灯的散热实例剖析了散热技术在大功率LED灯领域的必要性和重要性。
9、参考文献
[1]李兴林，半导体照明工程技术，中国建筑工业出版社
[2]房海明，LED照明设计与案例精选，北京航天航空大学出版社
[3]http://lights.ofweek.com/ [4]http://lights.ofweek.com/ [5]http://lights.ofweek.com/ [6]http://lights.ofweek.com/
