大功率集成LED冷却技术综论

大功率集成LED被动冷却技术总论

李骥 先进热管理技术实验室 中国科学院大学工学院

提纲

• 大功率LED灯具的封装及散热难题； 灯具的封装及散热难题 • 目前业界普遍采用的散热方式； • 各类技术的优缺点及性能对比 各类技术的优缺点及性能对比。

大功率LED灯具的封装及散热难题

• 发光二极管LED( Light Emitting Diode)，作为新 ，作为新一代绿色环保 代绿色环保 型固体照明光源，它具有：

耗电量少、光色纯、全固态、质量轻、体积小、环保等一系列的优点

• LED 发光时会有部分能量转化为热量，因此会使 发光时会有部分能量转化为热量 因此会使LED芯片温 度升高。

温度对LED芯片的工作性能影响极大，高温会导致芯片出射的光子减少， 色温质量下降，加快芯片老化，缩短器件寿命等严重的后果。 为保证LED正常工作，必须将其散发出来的热量及时的散发出去。 目前大功率LED只能将约10% ∼25%的输入功率转化为光能，而其余75% ∼90%转化为热能，因此散热问题非常严峻。

LED芯片发光效率与芯片节温之间的关系

目前业界普遍采用的散热方式

• 芯片封装级散热方式

• 灯具系统级散热方式

芯片封装级散热方式

• 一个 个LED封装元件（灯珠）安装在 封装元件（灯珠）安装在一个电路板上。最 个电路板上。最 直接的散热方案之一是利用具有足够高导热系数的 电路板将热量导出LED封装组件。 封装组件

（1）市场上，作为LED封装的机械支撑和电路连接用的基板通常是印刷 电路板。最常用的LED电路板材料（FR4）导热系数很低（0.23W/m·K) 。 （2）或是金属芯（铜)薄电绝缘层印刷电路板(导热系数1∼5 W/m·K)。 （3）为了得到更好的换热性能，选用导热性更高的替代电路板：在LED 组件中使用含有三氧化二铝（Al2O3，25 W/m·K）和氮化铝（AlN，180 W/m·K）的陶瓷基板电路板，

灯具系统散热方式

• 自然对流热沉

铝挤或铝压铸散热器

• 相变循环系统

普通热管散热器

表1 大功率LED灯具装置中的被动热控制方案（2012年统计）

类别 热沉换热 相变换热 典型应用 板肋，针肋 热管，均热板 通常热负荷（W） 10000片的单件成本（﹩） 5-50 50-150 0.5-10 15-100

表2 热管、铝板和铜板散热器的性能比较

材料 铝板 铜板 热管 密度（ ） 密度（Kg/m3） 2780 8330 4440 导热系数（ / ·K） ） 导热系数（W/m 240 380 5000∼25000 热阻（ ） 热阻（K/W）

目前的问题

高功率LED散热问题如果处理不好，将会加速亮 度衰减（光衰）现象，进而降低产品的亮度与使 用寿命。 目前市场上高功率LED照明产品，散热效果有 限，这也是目前LED照明产业的最大瓶颈，故目 前LED照明市场上普遍看得到的是辅助性照明、 景观性照明的应用，鲜少有具高能见度的主照明 产品。随着车载LED主灯、射灯、高亮度成像光 源的逐步发展，集成式大功率LED的散热问题尤 显突出！

目前灯具的普遍功率及散热方式 目前LED灯具 总瓦数5∼10Kg

系列 型号 LEDs 功率 电源 总共 替代 HID Lamp （市场产品，仅供参考） LED Light ****-210A 180W 25W 205W 420W 90Lm/W ***x***x***mm 15KG

出光效率

尺寸 净重

学者对未来的展望及行业发展

• 复合型被动式热管散热技术（后面主要阐述）；

• 主动式冷却方案；

（1）散热片加高速风扇是目前最可能采用的处理方式； （2）采用压电陶瓷风扇、无扇叶风扇等先进技术； （3）合成喷气技术，利用通过高频振荡所产生的高湍流度高动量气流； （4）压电散热板技术，它利用压电晶体使得散热板振动，从而提高了散 热板的散热效率。其散热效果相当于风扇，但是耗电却要小很多； 以上几种方式，都存在要额外消耗能量、产生噪音、有机械运动部件。

• 采用新颖的LED芯片封装技术。这种技术把LED芯片直接安装 到具有高导热系数的金属基或者碳基材料上 从而减少了一 到具有高导热系数的金属基或者碳基材料上，从而减少了一 层热阻； • 薄膜半导体制冷技术。

行业展望

实际上，要彻底解决LED的散热问题就是要它产生 越小的热量越好。现在好的LED发光效率大约在100130 lm/W，大约只有20%的电能转化为光能，其余 80%全部转化为热能。 据估计，到2020年，LED的发光效率可以提高到 240 lm/W，比现在提高一倍有余，届时LED所产生的 热量比现在减少一倍多，大约只有30∼50%的电能转 化为热能。散热问题将得到可靠解决！ 综上所述，被动型热管复合式散热技术是具有高性 能、高适应性、面向未来的通用高端技术。

不同的散热技术特点及优势

• • • • • • 铝翅片散热器； 铝翅片散热器 普通热管散热器； 热柱散热器（专利技术）； 脉动热管技术（专利技术） ； 环路热管技术（专利技术） ； 超薄热管技术（专利技术） 超薄热管技术 专利技术 。

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铝翅片散热器

80

灯珠温度随时间变化图

温度/℃

70

100W, , 热阻0.6K/W, / , 散热器重量4kg g

60 50

40

30

20

灯珠底板温度

10 0 1000 2000 3000 4000

环境温度

5000 6000 7000

时间/s / 8000

普通热管散热器

100W  热阻0.35, 100W, 0 35  散热器重量1kg 灯珠温度随时间变化图

热柱散热器

55 50 45 40 35 30 25 20 15 0 500 1000

灯珠一脚温度 环境温度

灯珠温度随时间变化图 100W,  热阻0.35,散热器重量1kg

1500

2000 时间（S）

脉动热管技术

100W,  热阻0.55，散热器重量1kg 灯珠温度随时间变化图

热管 温度

环路热管技术

100W,  热阻0.3 100W 0 3， 散热器重量1.2kg

超薄热管技术

热阻功率变化图

0. 60 0. 50

热 热阻（℃ ℃/W ）

0. 40 0. 30 0. 20 0. 10 0. 00

0 20 40 60 80 100 120 140 功率（W ）

铜板 水平放置均热板 竖直放置均热板

不同被动散热方式的性能对比 • 普通金属散热器 优点: 廉价; 结构简单可靠 缺点: 散热容量有限; 笨重,热阻大。 • 集成热管的散热器 优点: 散热容量提高，结构多变; 可靠，重量 轻，热阻小。 缺点: 内部结构及制作复杂，成本有高有低; 某些热管的安装比较困难。

• 结束