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大功率LED強化散熱技術進展

日期:2018.10

引言：LED是發光二極體簡稱的縮寫，是一種以半導體管芯為基礎的發光材料。隨著半導體材料研究的技術的不斷成熟，大規模的發光二極體得到了廣泛的應用。LED發光二極體的能耗低，照明強度高，壽命長，能夠根據具體的需要設計不同的尺寸大小，已經廣泛應用在室内裝修，汽車，道路，城市照明等。在實際工作中，LED的有效工作功率是無法達到100%的，其中將近80%的能量會轉化為熱能。隨著大規模矩陣型的LED燈的使用，能耗也會變的越來越大，如果不能及時處理散熱問題，將會導致熱量集中在二極體的PN結，就會降低LED燈的使用壽命。嚴重時甚至會燒毀LED。

1.大功率的LED燈的散熱要求：

具有較強的導熱和均熱性能：
散熱器件的總體熱阻是由LED燈具有所有的接觸面逐層累計得到的，LED吸熱面中的熱傳導阻抗是總體熱阻中不可忽略的一部分。其與LED燈具之間的熱阻抗越小，則越容易快速地吸收LED產生的熱能，同時將這部分熱能高效的地傳達至翅片上。

總體上具有較小的熱阻力：
為有效提升導熱器件或散熱器件的吸熱能力。應將導熱器件或散熱器件盡可能的與LED模組緊密結合，甚至達到零空隙。但現實中導熱器件或散熱器件的散熱面與LED模組之間總存在很小的空隙。因此，應選擇使用較小的熱阻抗，較強適應性的材料來填充空隙，這種材料就是我們常用的導熱膏，其能有效的減少接觸熱阻，從而減少整體熱阻抗，提高散熱效率。

熱量發散迅速：
加工時，將散熱器件的吸熱面與散熱翅片加工成一個整體，從而將吸收到的熱能迅速傳送至翅片部分發散出去。此外，散熱翅片的間隙應與空氣流動方向一致，以防空氣氣流遇障礙形成漩渦造成熱氣滯留。

2.大功率的LED強化散熱技術進展：

2.1風冷散熱技術
空冷散熱一般主要採用的是空氣對流散熱的技術，它主要分為自然對流散熱和強迫對流散熱技術兩種方式，空冷散熱技術主要利用空氣流動來散熱將空氣作為冷卻劑，加大LED器件周圍的空氣流動，進而能夠對功率型LED的器件進行散熱處理，風冷散熱技術的結構簡單，而且LED器件結構也比較簡單，易於封裝處理，結構簡單，設備的成本比較低，它的運行十分可靠，而且風冷散熱技術比較成熟，但是它的散熱效率比較低，一般情况下只能用於小功率的LED散熱系统中。在自然對流散熱技術的運用中，採用散熱器可以增加LED器件的散熱面積，改善LED器件的散熱性能，也能夠降低LED基板器件的相關係數，而影響LED散熱性能的因素有多種情况，例如散熱器基板的導熱係數、器件的對流換熱係數等。散熱器的散熱面積直接影響著LED的散熱情况，而散熱器的形狀對IED的散熱效率影響十分巨大。隨著LED晶片功率的不斷增大，晶片的散熱也就越來越多，採用自然對流的方式是不能滿足散熱要求，這就需要運用小風扇來增加LED器件散熱面積的空氣對流速率，進而增加散熱器的散熱技術，在具體的設計中，為了抑制風扇產生的果音，需要將封扇設計的比較微小，甚至將其集成在LED系統中，使之能達到散熱的效果，也能夠減少風扇的噪音。

2.2水冷散熱技術
LED水冷散熱系統是大功率LED設備中常用的散熱技術之一，它的散熱介質主要是以去離子水為主，充分利用水的迴圈流動進行散熱。水冷散熱技術系統主要由水泵、基板、導水管等部件構成，它採用水在導水管中的流動，達到對LED器件進行散熱的目的。利用散熱管還可以增加LED的散熱面積，在工作時將LED晶片產生的熱量傳遞给基板，泵主要功能是為散熱器提供水迴圈動力。保證去離子水能夠迴圈流動、LED晶片將產生的熱量傳遞给LED基板器件，基板再將熱點傳通給水，然後導水管通過水的流動帶走熱量，達到具體的散熱效果。採用水冷散熱系统可以快速的降低LED晶片帶來的熱量，與風冷散熱相比。雖然水泵在運行的過程中還會產生一定的噪音，但水冷散熱能夠快速的散熱，具有安靜、對環境依賴比較小等優點，在一些中小型的LED設備中得到了廣泛的應用.

2.3熱管散熱技術
熱管散熱技術在LED器件散熱中也比較常見，它主要是利用熱相變來強化導熱器件進行換熱的傳統散熱技術，一般的熱管散熱技術主要由管殼、吸液芯和端蓋等幾部分構成。在LED的熱管設計上，將熱管的一端設計為蒸發段（加熱段），便於吸收LED器件散發的熱量，將另一端設計為冷凝段（冷却段），功能是對傳導過來的熱量進行冷却，大功率的LED陣列一般主要採用導熱膠黏結在蒸發段管壁上，以保證能夠有效的對LED進行散熱，在熱管運行时，管内的冷却液在蒸發段内吸收熱量而蒸發，進而能夠帶走LED器件散發出的熱量，當蒸汽從蒸汽腔流入冷凝段，在放出熱量同時，也受到冷却段的冷凝，然後被冷却液體，達到對LED降溫的目的，經過冷却的液體在LED器件的毛細結構絲網產生的毛細力作用下，然後再回流到蒸發段。這樣通過熱管冷之間的液體、氣體之間的迴圈，達到對LED器件進行降溫的目的，採用熱管冷却技術的缺點是設備的製作工藝負責，體積極大，設備的成本比較高，系統整體穩定性不高。

2.4熱電散熱技術
熱電散熱技術是通過將LED陣列在通電發光產生的熱能通過導熱材料將其傳遞出来，經過冷凝設備吸收熱量，主要採用熱電之間的控制達到散熱的目的，它的工作原理是以熱電效應為基礎。在無外磁場存在時，熱電散熱技術主要包括導熱設備、焦耳熱損失等效應的原理，採用熱電散熱的主要優點是它的散熱密度比較大，散熱的結果比較緊，並能夠與IC工藝緊密的結合在一起，系統結構的集成效果較好。與其他傳統散熱方式相比，採用熱電散熱器能夠快速的降低LED器件溫度，能夠快速的使得LED系統的溫度降低到36％以上，而且這種技術還可以進行突破，通過選擇冷效率高的熱導材料，並通過優化熱電傳導設備結構進行散熱。

2.5熱聲散熱技術
熱聲制冷技術主要採用熱聲效應來實現LED器件散熱的目的，熱聲效應的工作原理是將LED工作時產生的熱量加入到聲波密集區域，在設備的聲波稀疏時將LED系統產生的熱量排出，然後聲波的能量就會加強。由於聲波在空氣中進行傳播時，就會產生壓力波動或者位移的波動，通過聲波產生的壓力波動達到散熱的目的。聲波的傳播還會受到散熱器的溫度變化波動。如果在氣體的壓力、位移以及溫度發生變化是，就會與散熱器的邊界發生接觸，這樣就可以快速的將熱能傳遞出，實現聲波與熱能的轉換，進而達到散熱的目的，採用聲波散熱技術的優點是制冷的部件較少，而且使用的成本也比較低，散熱結構比較簡單等。

結論：散熱技術作為提高LED燈功率的和性能的關鍵技術，目前受到廣泛關注。LED的散熱技術有很多，覆蓋了LED的封裝層面及周邊設施。目前對於高功率密度的LED器件，搭配主動散熱方式，較為理想的散熱技術還有奈米碳散熱圖曾以及碳奈米管導熱介面材料，其中液冷具有最好的散熱效果，適用於超高功率密度的LED器件。為了提高散熱效果，可以將現有的散熱技術結合使用，例如使用液冷輔助熱管散熱，再改進LED的基板和熱介面材料，同時增加奈米碳散熱塗層增加熱輻射性能，這樣可以達到很好的散熱效果。未來，LED器件一定是向大功率和小型化的方向發展，研究更好的散熱技術或更好的結合各種散熱技術將是一條必經之路。

参考文獻
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