LED散热与结构设计

热是什么

众所周知，LED是高能效光源，而且因为体积小深受设计师的喜爱。但只有当不涉及热管理时，它们才可以被真正地称为“小”。虽然与白炽光源高达 2500℃的工作温度相比，LED光源温度要低得多。因此，许多设计师最终意识到散热是个不可忽视的问题。尽管LED仍然会发热，但其温度相对低一些，因 此这不会有什么大问题。不过，基于半导体器件LED其工作温度应低于100℃。

根据能量守恒定律，热(能)必须要被传送到附近区域。LED只能工作在25℃环境温度和最高100℃之间，温差范围仅为75℃。因此，需要一个 较大的散热表面和非常有效的热管理． 一, LED为什么要散热

众所周知，LED是高能效光源，而且因为体积小深受设计师的喜爱。但只有当不涉及热管理时，它们才可以被真正地称为“小”。虽然与白炽光源高达 2500℃的工作温度相比，LED光源温度要低得多。因此，许多设计师最终意识到散热是个不可忽视的问题。尽管LED仍然会发热，但其温度相对低一些，因 此这不会有什么大问题。不过，基于半导体器件LED其工作温度应低于100℃。

根据能量守恒定律，热(能)必须要被传送到附近区域。LED只能工作在25℃环境温度和最高100℃之间，温差范围仅为75℃。因此，需要一个 较大的散热表面和非常有效的热管理。

理论上LED总的电光转换效率约为54%(理论值),在现实只有理论值的1/4;其余的电能将以热能的形式释放,这就是LED为什么要散热的原因; 散热不好,造成温度上升;

① 温度上升----发光效率下降;

② 温度上升----主波长受影响： 蓝光向短波长漂移,其它颜色向长波长漂移(红光)

③ 温度上升----相关色温(CCT)：白光的相关色温升高,其它色温将下降; ④ 温度上升----正向电压-----正向电压下降; ⑤ 温度上升----反向电流增大;

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⑥ 温度上升----热应力增大;

⑦ 温度上升----元器件的使用寿命减短;

⑧ 温度上升----如是带荧光粉,环氧树脂的led, 温度上升将导致这些材料发生劣化;

上述也只是部分温度过高对LED部分性能产生影响,实际受影响的远远不止这些, 严重的将导致LED灯失效; 二, LED散热与结构

LED失效形式之一就是热失效, 随温度的升高,不但LED失效率大大增加,而光衰加剧,寿命减短等,因此其散热设计是不容忽视的一个重要环节;室外灯外壳的防护等级一般都要求在IP65以上,热量不能通过空气对流的方式散发了出去,所以利用良好的导热途径将LED的热量传到到灯壳;选择合适导热材料和良好结构设计直接决定了产品的性能;

1．LED灯具热阻的计算;

对灯具结构进行热分析是设计灯具时必须完成的一项工作.由于灯具是在一启后蓫渐升温最后达到热稳定状态,稳定状态时各点的温度是最高,所在在散热计算时一般只考虑稳态时的情况,瞬态热分分布情况并不重要.因此应在灯具外于热稳定状态时计算类具散热的情况. LED灯具热分析公式;

Ｔj ≧Ta + ( Rthb-a × P )+( R thj-sp × Pled )

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:W

R thj-sp----单颗LED热阻. 单位:℃/W;

因灯具一般使用环境温度Ta温度是在(-20℃~45℃);受外因素限制一般是不可

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控的,另外为满足照明效果,led灯总功率P总,单颗led功率Pled在设计前应要确定,单颗LED的热阻目前一般为8℃/W. 例：一个16颗LED(1W/颗)的灯;

Ｔj = 150 ℃

Ta= 45 ℃

Pled-= 0.33A*3.3V=1.155W P= 1.155W*16=18.48W R thj-sp= 8℃/W

Rthb-a ≦(Ｔj - Ta-Rthj-sp * Pled )/P Rthb-a ≦(150℃-45℃-8℃/W*1.155W)/ 18.48W Rthb-a ≦ 5.182℃/W

从这个例子可得出：散热部件的热阻R(thb-a)≦5.182℃/W时,其灯才可以在45℃的外部环境中使用;

2． LED灯具结构的热分析

热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明了 1W热量所引起的温升大小，单位为℃/W或K/W。用热功耗乘以热阻，即可获得该传热路径上的温升。可以用一个简单的类比来解释热阻的意义，换热量相当于电流，温差相当于电压，则热阻相当于电阻。

热阻Rja：芯片的热源结（junction）到周围冷却空气（ambient）的总热阻，乘以其发热量即获得器件温升。

热阻Rjc：芯片的热源结到封装外壳间的热阻，乘以发热量即获得结与壳的温差。 热阻Rjb：芯片的结与PCB板间的热阻，乘以通过单板导热的散热量即获得结与单板间的温差。

热传递方式有:传导,辐射,对流;对于LED灯具散热来说,热传导方式起主要作用;因此LED灯具的热分析主要考虑热量在灯具内以热传导方式传递时的散热效果; 热阻是指热量传递通道上两个参考点之间的温度差与两点间热量传输率的比值; 单位为 ℃/W.热阻为阻止热量传递能力的综合参考虑,应通过减小热阻以加强热量的传递;

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如热量以传导方式传递时,遇到热量流过两个相接触的固体的交界面时，界面本身对热流呈现出明显的热阻，称为接触热阻。(如下图A.B之间的接触面) 普遍认为接触面两侧保持同一温度，即假定两层壁面之间保持了良好的接触。

产生接触热阻的主要原因是，而在工程实际中由于任何外表上看来接触良好的两物体，直接接触的实际面积只是交界面的一部分（见图），其余部分都是缝隙。热量依靠缝隙内气体的热传导、对流和辐射的方式传递，而它们的传热能力远不及一般的固体材料。此时接触面两侧存在温度差。接触热阻使热流流过交界面时，沿热流方向温度 T发生突然下降，这是工程应用中需要尽量避免的现象。

单位，㎡•K/W

减小接触热阻的措施是：

① 增加两物体接触面的压力，使物体交界面上的突出部分变形，从而减小缝隙增大接触

② 在两物体交界面处涂上有较高导热能力的胶状物体──导热脂

当热量在物体内部以热传导的方式传递时，遇到的热阻称为导热热阻。对于热流经过的截面积不变的;

单位: ℃/W

在对流换热过程中，固体壁面与流体之间的热阻称为对流换热热阻，1/（hA）。其中h为对流换热系数，A为换热面积;

两个温度不同的物体相互辐射换热时的热阻称为辐射热阻。如果两个物体都是黑体（见黑体和灰体），且忽略两物体间的气体对热量的吸收，则辐射热阻为1/(A1F1-2或1/(A2F2-1)。其中A1和A2为两个物体相互辐射的表面积，F1-2和F2-1为辐射角系数。

[微生物]

指微生物在某一特定条件（主要是温度和加热方式）下的致死时间。

相对热阻：指微生物在某一特定条件下的致死时间与另一微生物在相同条件下的致死时间的比值

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3．LED散热器结构设计小结

结合上述分析: 我们可知道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

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散发。

下图是：一般LED灯散热部分结构示意图;

４．散热材料选择分析

3-1 常用散热材料及导热系数.密度; LED散热选材原则:

①导热性能好——相对其它固体材料，金属具有更好的热传导能力； ②易于加工——延展性好，高温相对稳定，可采用各种加工工艺； ③易获取——虽然金属也属不可再生资源，但供货量大，不需特殊工序，价格也相对低廉；

依此确定了散热片所用材料类型，具体种类的确定同样需以此为标准。下表为散热片惯用材料与常见金属材料的热传导系数。

热传导系数的定义为：每单位长度、每K，可以传送多少W的能量，单位为W/mK。其中“W”指热功率单位，“m”代表长度单位米，而“K”为绝对温度单位。该数值越大说明导热性能越好。 材料 热传导率K 比(W/m.K) 银 silver 铜 cooper 金 gold 铝 aluminum 429 401 317 237 热容密度(g/cm3) J/kgK-1℃-1 0.24 0.39 1.29 0.9 0.9 0.9 0.9 0.9 10.5 8.69 19.32 2.7 2.7 2.7 2.7 2.7 2.7 6

AL6061铝合金 155 AL6063铝合金 201 ADC12 96 AL1070铝合金 226 AL1050铝合金 209 diamond 钻石 2300

铁 锡 铅 钢材 铝合金 PVC PA 松木 单层玻璃 陶瓷(千如) 石墨 水 80 67 34.8 58.2 203 0.19 0.23 0.17 6.2 6.79 水平:700 垂直:30 0.556 720 4.18 Cp 7.3~7.7 7.8 2.7 1.8-3.5 1 11 空气(25 ℃) 0.024 =1.0032(J/g.c) 0.00118 Cv =0.7106 ， r＝1.412

3-2 导热材料选择

选材当然是选热传导系数自然是越高越好，但同时还需要兼顾到材料的机械性能与价格及后加工工艺;

热传导系数很高的:金、银:由于质地柔软、密度过大、及价格过于昂贵而无法广泛采用；

铁: 则由于热传导率过低，无法满足高热密度场合的性能需要，不适合用于制作高性能散热片。

铜: 热传导系数同样很高，可碍于硬度不足、密度较大、成本稍高、加工难度大, 容易氧化等不利条件，在散热片中使用较少。

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铝: 作为地壳中含量最高的金属，因热传导系数较高、密度小、价格低而受到青睐；但由于纯铝硬度较小，在各种应用领域中通常会掺加各种配方材料制成铝合金，为此获得许多纯铝所不具备的特性，而成为了散热片加工材料的理想选择。 (铝合金的优点是价格低廉，重量轻 )

各种铝合金材料根据不同的需要，通过调整配方材料的成分与比例，可以获得各种不同的特性，适合于不同的成形、加工方式，应用于不同的领域。上表中列出的5种不同铝合金中：AA6061与AA6063具有不错的热传导能力与加工性，适合于挤压成形工艺，在散热片加工中被广为采用。ADC12适合于压铸成形，但热传导系数较低，因此散热片加工中通常采用AA1070铝合金代替，可惜加工机械性能方面不及ADC12。AA1050则具有较好的延展性，适合于冲压工艺，多用于制造细薄的鳍片。（ 导热塑料与陶瓷散热器及加工工艺以后分开再叙 ）

3-３ 加工工艺

选用的材料不一样,相应的制程也有所去别;下面以选用铝材为例: 1．铝挤压技术(Extruded)

铝挤压技术简单的说就是将铝锭高温加热至约 520~540℃，在高压下让铝液流经具有沟槽的挤型模具，作出散热片初胚，然再对散热片初胚进行裁剪、剖沟等处理后就做成了我们常见到的散热片。铝挤压技术较易实现，且设备成本相对较低，也使其在前些年的低端市场得到广泛的应用。一般常用的铝挤型材料为 AA6063，其具有良好热传导率(约160~180 W/m.K)与加工性。不过由于受到本身材质的限制散热鳍片的厚度和长度之比不能超过1：18，所以在有限的空间内很难提高散热面积，故铝挤散热片散热效果比较差；

注：铝挤在做PAR灯和其它灯时往往要在加工;

工艺一般是: 铝挤──裁切──车销──清洗──阳极( 或它表面处理 ) 缺点:后加工较麻烦,特别是车销,因灯是圆的,所以在加工质量较难控制; 优点:模具简单;一个铝挤模可以经后加工出多款产品; 铝压铸技术

通过将铝锭（纯度92%左右）和合金材料熔解成液态后，填充入金属模型内，利用压铸机直接压铸成型，制成散热片，采用压注法可以将鳍片做成多种立体形状，

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散热片可依需求作成复杂形状，亦可配合风扇及气流方向作出具有导流效果的散热片，形状可设计成像玩具那样，造型各异，方便各种方向连接，另外，它硬度强度较高，同时可以与锌混合成锌铝合金。 且能做出薄且密的鳍片来增加散热面积，因工艺简单而被广泛采用。一般常用的压铸型铝合金为ADC12，由于压铸成型性良好，适用于做薄铸件，但因热传导率较差(约 96 W/m.K)，现在国内多以 AA1070 铝料来做为压铸材料，其热传导率高达 200 W/m.K 左右，具有良好的散热效果。不过，以 AA1070 铝合金压铸散热器存在着一些其自身无法克服的先天不足：

① 压铸时表面流纹及氧化渣过多，会降低热传效果。

② 冷却时内部微缩孔偏高，实质热传导率降低(K<200 W/m.K)。 ③ 模具易受侵蚀，致寿命较短。 ④ 成型性差，不适合薄铸件。 ⑤ 材质较软，容易变型

２．压铸铝成型工艺分：

工艺一般是：压铸成型───粗抛光去合模余料──细抛光 或喷砂──喷漆或电泳;

另一方面，压铸铝生产过程，应有模具才能制造，其模具造价十分昂贵，比注塑模等其它模具均高。同时，模具维修十分困难，设计出错误时难以减料修复。 压铸铝缺点：

每次生产加工数量应多，成本才低。抛光较复杂生产周期慢产品成本较注塑件高3~4倍左右。螺丝孔要求应大一点（直径4.5mm）连接力才稳定 3．接合型制程

这类散热器是先用铝或铜板做成鳍片，之后将它压固结合在具有沟槽的散热底座上。结合型散热器的特点是鳍片突破原有的比例限制，散热效果好，而且还可以选用不同的材质做鳍片。此制程之优点为散热器Pin-Fin比可高达60以上，散热效果佳，且鳍片可选用不同材质制作。其缺点在于利用压固结合的鳍片与底座之间会存在界面阻抗问题，从而影响散热，为了改善这些缺点，散热器领域又运用了2种新技术。

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４．扦焊

扦焊是采用熔点比母材熔点低的金属材料作为焊料，在低于母材熔点而高于焊料熔点的温度下，利用液态焊料润湿母材，填充接头间隙，然后冷凝形成牢固接合界面的焊接方法。

主要工序有：材料前处理、组装、加热焊接、冷却、后处理等工序。 常用的扦焊方式是锡扦焊,铝表面在空气中会形成一层非常稳定的氧化层(AL2O3),使铜铝焊接难度较高,这是阻碍焊接的最大因素。必须要将其去除或采用化学方法将其去除后并电镀一层镍或其它容易焊接的金属，这样铜铝（铝与铝）才能顺利焊接在一起。散热片是进行热的传导，要求的不仅是机械强度，更重要的是焊接的面积要大(焊着率要高)，才能有效地提升散热效能，否则不但不会提升散热效能，反而会使其比全铝合金的散热片更加糟糕。 常见的后处理方法:

① 烤漆：喷漆后进烘房加温干燥工艺;

② 电泳：2电泳涂料在阴阳两极, 施加于电压作用下, 带电荷的涂料离子移动到阴极, 并与阴极表面所产生的碱性物质作用形成不溶解物, 沉积于工件表面的過程;

③ 电镀：电镀就是利用电解的方式使金属或合金沉积在工件表面，以形成均匀、致密、结合力良好的金属层的过程

④ 喷塑：将塑料粉末喷涂在零件上的一种表面处理方法

⑤ 阳极：将金属或合金的制件作为阳极，采用电解的方法使其表面形成氧化物薄膜．

备注：后处理一般要依灯具类别选用不同后处理方法；如室外灯对表处理要求较高，( 如盐务测试)一般会选用喷塑;不同表面处理对散热性能的影响也不相同； 电泳是电泳涂料在阴阳两极，施加于电压作用下，带电荷的涂料离子移动到阴极， 并与阴极表面所产生的碱性物质作用形成不溶解物，沉积于工件表面

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