一种新型平板式大功率LED照明装置微热管散热方案

      设计了一种新型的带有百叶窗的平板式大功率发光二极管(LED)照明装置。该装置采用高导热系数的铝基板作为多颗大功率LED的散热电路板，用0.4 mm 的铝片作为散热翅片，结合沟槽式微热管构成集发光与散热一体化的输入功率为21 W 的照明模组，该模组可根据照明亮度要求重构成不同功率的照明装置。

　　1 引 言

　　与在道路照明中使用量的高压钠灯相比，大功率LED作为照明装置具有色温可选、发光效率高、无需高压、超高亮度、显色性高及长寿命等优势。散热问题是限制大功率LED照明应用的障碍。经过研究了硅基多芯片的封装新方法，找到一种可以有效降低热阻的用于LED封装的金属粘结方法。即用竖直的碳纳米管作为粘结材料直接粘结在铝基板上，生长的碳纳米管作为热边界材料，得到了较好的散热效果。并开发了一种新型热沉来实现大功率LED的冷却。还提出了一种LED的热管散热模型，结点温度和热阻都得到了较大的降低。研究了将LED粘结在微热管上的散热性能，微热管能使芯片温度降低更多。

　　利用动态电学测试方法测量大功率LED热阻和结温的原理、实验装置、测量步骤和影响测试结果的因素。针对利用有限元模拟分析了工作过程中的温度和热应力分布，并测试了实际器件表面特征点的温度变化。设计了大功率LED阵列封装的微通道冷却结构，探讨了各参数对LED多芯片散热效果的影响。研究了微喷射流的大功率LED主动散热方案，实现大功率LED芯片组的高效散热。采用有限体积数值模拟、瞬态热阻测试方法以及热沉温度-峰值波长变化的关系，对3 种散热基板上大功率lGaInP 红光LED进行了热特性分析。提出了一种新型结构的回路热管，并建立了其性能测试实验装置。

　　目前，国内外的研究多集中在LED 热阻、结温测量及利用封装方法降低热阻等方面。本文针对大功率LED 的照明应用需求，提出了一种集成微热管的新型百叶窗式的大功率LED 照明装置模块化结构设计方案，并对其散热性能进行模拟分析和实验研究。

　　2 大功率LED 照明装置模块化结构

　　图1(a)为大功率LED 照明装置结构及散热风道示意图。照明装置采用模块化的设计方法，每排LED都是1 个照明模组，可以单独使用，总共由7 个模组组成，如图1(b)所示。照明装置分前舱和后舱两部分，前舱装有LED 及电源，设计成全密封结构；后舱安装散热模块，左右及下壁面开有散热用百叶窗结构。翅片自然对流散热的风道经过优化设计，风可以从照明装置翅片舱的任意一侧流入，从另一侧流出，同时翅片的上表层也可以和周围的空气进行对流散热。LED 照明装置结构的整体尺寸为328 mm×480mm×84 mm，模块的基座尺寸为22 mm×205 mm，微热管直径为6 mm，单片翅片的尺寸为35 mm×66mm×0.4 mm，翅片间距为3 mm。

　图1 LED 照明装置及模组示意图。(a)LED 照明装置结构及散热风道；(b)照明与散热一体化的模组结构。

　　在每个照明模组中，LED阵列焊接在铝基电路板上，铝基电路板下面由挤压铝型材板作为支撑。微热管一端与铝型材板下表面半圆孔利用过渡配合方式进行固定；另外一端套装上铝翅片并焊接牢固，为了减小接触热阻，它们之间采用高导热焊料焊接。铝基电路板和挤压铝型材采用螺钉连接，中间涂有硅胶。

　　LED照明装置通电运行后，LED产生的热量通过微热管的一端吸收，运输到翅片端，热量通过翅片的热传导和自然对流，被空气带走。微热管具有很高的导热率，能够及时将LED产生的热量导出，避免芯片结温过度升高；采用厚度为0.4 mm的薄铝片来加强对流散热，比一般的铝基挤压型材热沉具有更大的散热面积、更轻的质量及更好的散热风道。此照明装置运用模块化设计，具有可重构特征。散热系统采用自然对流散热，不需要额外的驱动，因此结构简单、灵活且成本低廉。

　　3 散热量的理论计算

　　单个LED照明模组中微热管散热器的传热能力可按描述对流传热的牛顿冷却公式写为

　　式中Q为热管散热器的总传热量，单位为W；α 为散热器的总传热系数，单位为W/(m²·K)；A为散热器的基准散热面积，单位为m²； Δt 为热管基板表面温度tb与散热片周围冷却气流温度tf的差，即  Δt = tb - t f，单位为℃。从(1)式可以推导得到

　　式中R为当基准面积A为单位面积时，微热管散热器的总热阻，按传热学理论，它也是各串联传热环节中的热阻之和，即

　　式中Rb为从热管基板表面传递到贴附其上的热管蒸发段内壁的导热热阻；Rrg为蒸发段的传热热阻；Rbh为热管内饱和蒸气传递热阻，由于热管热阻极小，在此计算中予以忽略；Rin为冷凝段蒸气与内壁的传热系数；Rsr为冷凝段内壁到散热片基板之间的导热热阻；Rf为从冷凝段翅片到冷却气体之间的传热热阻。得到总传热系数

　　代入数据，得α=6. 48 W/(m²·K)，则微热管散热器的散热量为47 W。

　　单个LED照明模组的输入功率为21 W，假设发光效率为15％，则单个模组的发热量为18 W。由此可见，单个照明模组中微热管散热器的理论传热量远大于LED的发热量，所以该种散热方式能够满足LED的散热要求。

　　4 LED 照明装置的数值模拟分析

　　根据一般应用要求，假设环境温度为30 ℃，翅片与空气的对流散热系数为10 W/(m²·K)。翅片材料为6063 型铝合金，导热系数为201 W/(m²·K)。图2 为D 翅片的温度、温度梯度和热流密度分布图。可见温度梯度和热流密度的分布状态基本一致，温度梯度越大热流密度越大，这与理论分析相符合。在实际应用中，因翅片间的热场会产生干扰，使热量不能及时导出，导致其中某些翅片的实际温度值要高于理论值。

图2 单片翅片模拟结果图。(a)翅片温度分布图；(b)翅片温度梯度分布；(c)翅片热流密度分布。

　　图3 为翅片间距分别为2 mm 和3 mm 的单排翅片温度分布情况。翅片间距为2 mm 时，各翅片温度分布不均匀，相邻翅片存在明显温差，如图3(a)所示。翅片间距为3 mm 时，各翅片温度分布基本一致，翅片与微热管接触的部位温度较高，穿孔处可达到60 ℃。可见，翅片间距对LED 散热有直接的影响。相同条件下，翅片温差越小越好，因为对流传热是由空气与翅片的温度梯度驱动的。因此，本照明装置采用的翅片间距为3 mm。

图3 不同间距的翅片的温度分布图。

　　图4 为单排LED 模组的温度分布情况。芯片结温TJ=TC+PD·RJC, 其中TC 为散热衬底的温度，PD 为LED 的功耗，RJC 为LED 芯片结点到散热衬底的热阻。图4(a)为使用等直径铜管散热器的情况，芯片衬底的温度可达92.8 ℃，TJ =103.6 ℃。LED 芯片在较高温度下工作，会影响芯片的使用寿命和出光效率。

　　图4(b)为使用微热管散热器的情况，TC 为65 ℃，TJ 为73 ℃，LED 芯片的温度大大降低。

图4 LED 模组温度分布图。(a)铜管散热器；(b)微热管散热器。

图5 LED 照明装置模型温度分布(a)和热流密度分布(b)。

　　图5(a)为整个LED 照明装置的温度分布图。翅片温度分布与单片的近似，每排翅片以及同排不同位置的翅片温度分布都基本相同。LED 芯片衬底的温度为67 ℃，换算后结温为75 ℃，产生在3 和4 排铝基电路板中间位置的LED 芯片上，与实验结果吻合。模组间距、翅片间距以及翅片本身的参数都有待进一步优化，可使此模型获得更好的散热效果。模拟结果的温度分布和实验测得的温度分布情况是吻合的，因此可以用模拟结果来一步核算每个散热模块的散热量。整个LED 照明装置模型的热流密度分布如图5(b)所示，其平均热流密度为100 W/m2，模组的传热量为平均热流密度与散热面积之积。因此，可计算单个模组的传热量为3*8 W，略小于单个模组的散热理论计算值，这主要是因为在模拟分析时考虑了热场的耦合效应，使得对流散热作用减弱，传热量减小。

　　5 实验及结果分析

　　该照明装置采用了两种实验方法进行对比测试分析。一种是采用非接触式红外温度测试仪测量LED芯片和翅片表面温度，其结果可以直观地反映结点温度的大小，如图6所示。另一种是采用K型热电偶对关键特征点进行接触式测量，如图7所示。

图6 红外温度测试装置。

图7 热电偶测温装置。

　　在红外测温方法中，LED 表面的温度由红外测温仪直接测得，实验误差主要源于红外测温仪自身的误差(约为0.1 ℃)。在热电偶测温方法中，各个点的温度值由热电偶直接测得，误差主要由热电偶的测量误差和多次测量的读数误差组成。实验用热电偶为标准NiCr-NiSi 的K 型热电偶，在温度范围为－30～150 ℃时，测量误差为0.2 ℃，相对测量误差为0.75%；读数的误差为1 ℃，相对误差为1%。所以总的误差为1.2 ℃，相对误差为1.75%。

　　图8 为不同导热铝基电路板热平衡时的温度分布图和曲线。红外测温时，环境温度为30 ℃，且系统已运行60 min 达到热平衡。芯片衬底温度为67.7 ℃，经换算得LED 芯片结温为75.7 ℃，芯片衬底温度为60 ℃(两基板中间空隙空气温度约为40℃)。基板的表面温度约为67 ℃，两侧的温度稍低于中间温度。2~5 排温度分布相近，1，6 排温度较低。2~5 排基板周围热场干扰大，空气流动较弱，热量不易被带走，从而使其温度高于1，6 排。实验结果表明，采用微热管散热方案，大功率LED 芯片可以长时间工作，这表明该散热方案具有实用价值。

 

图8 不同导热基板温度分布图和曲线。

图9 不同排翅片表面的稳定温度分布图和曲线。

　　图9 为LED 翅片表面热平衡时的温度分布图和曲线，顺序与基板顺序相同，翅片表面温度为60.3℃，温度为52.8 ℃(两排翅片中间空隙空气温度约为46.9 ℃)。翅片表面温度中间高，两侧低，中间排翅片温度较高。此排翅片温度升高主要是对流散热效果不佳、热量不能及时对流到空气中所致。为使中间翅片获得更好的散热效果，可在适当的位置加风扇强排。

　　实验过程中，LED 电源有一定的发热量，会使芯片组周围空气温度升高，在一定程度上增加对流散热的困难性。因此，在实际应用中，可以考虑将电源单独放置。红外温度测试仪只能拍摄到某一平面的温度分布情况，温度会有些误差，但是可以用其代表LED 系统整体温度分布状况，因为红外测温与热电偶直接测量结果一致。

　　图10 为7 个模组上相同位置点的热电偶测温得到的温度分布曲线。图中可以看出，各点在7 个模组上的温度基本成正态分布，温度为61.2 ℃，温度为53.6 ℃，与红外温度测试仪测得的温度分布相吻合。在单个模组的不同点上，点1 和点2 的温度基本相等，点3 的温度，因为点3 处在模组翅片的外层。图11 为A，B，C，D 4 片翅片上不同点的温度分布。由理论知识可知，单片翅片上的温度成对称分布，所以在其1/4 面积上取了5 个点，点的位置分布如图12 所示。可见翅片在整体翅片中的位置对翅片温度有很大的影响，而各片翅片的温度分布情况是一致的，离热管中心越远其温度越低，因为在热传导过程中温度会降低。

图10 7 个模组在相同位置点上的温度分布。

图11 A,B,C,D 4 片翅片上不同点温度分布。

　　图13 为各排模组上LED 灯底座的温度分布曲线，其分布状况可代替LED 灯的温度分布情况。由图可知，各排LED 的温度分布趋势一致，随着微热管传热方向呈递减趋势，但温度值出现在中间位置。微热管的等温性虽好，但依然存在很小的传递温差，LED 的温度值也受其位置的影响，位置不仅影响其所对应翅片的散热情况，而且也影响其对应的Al 基板的对流散热情况。

图12 翅片上点的位置分布。

图13 各排LED 底座温度分布。

　　根据Edison 公司给出的大功率白光LED 的结温在亮度70%时与寿命的关系可知，当芯片结点温度为75 ℃时，其寿命大约为40000 h，而市场上使用的高压钠灯有效使用寿命大约为10000 h，所以此照明装置结构具有很高的市场应用价值。

　　6 结 论

　　提出了一种新型的带有百叶窗的平板式大功率LED 照明装置。实验和数值模拟结果表明，整个照明装置中不同翅片间温度分布具有耦合效应，翅片间距与散热模组间距都影响散热翅片温度分布，因此，处于照明装置中间的模组的温度分布会高于两边的模组温度分布。该照明装置能在自然对流的条件下有效散热，可使LED 芯片组结温保持在75.7 ℃以下；而不使用微热管散热时LED 芯片组结温一般在13* ℃以上，因此，该照明装置可用作户外路灯照明来代替目前的高压钠灯，具有明显的节能效果和重大的实用价值。该照明装置运用模块化设计，采用微热管导热，使得照明装置结构简单、具有可重构特征，且具有良好的散热性能。相关翅片的参数设计还可以进一步优化以提高系统的散热性能，也可通过增加风扇，研究该装置在强迫对流条件下的性能。