刘如玲 倪楠
天津三安光电有限公司 天津 300384
摘要：随着LED的快速发展，散热已成为LED行业发展的技术瓶颈。由于非辐射复合、电流过载等原因，LED芯片会产生大量的热，因此，分析LED器件的热管理具有重要意义。
关键词：LED；热管理；散热
LED的失效原因大多与热量有关，而有效散发LED芯片产生的热量是该领域的重要问题之一。LED器件的热管理分析与设计，是解决LED器件散热问题的有效手段及必要措施。基于此，本文详细分析了LED器件的热管理分析方法。
一、LED热源
LED发光机理是靠电子在能带间跃迁产生光，其光谱中不含红外成分，因此，产生的热量不能靠辐射发出，故LED是冷光源。LED的基本结构是一个半导体PN结，当电流通过PN结时，所加入的电能并未全部转化为光能，大部分以热能的形式留在PN结上，使PN结温度上升，称之为结温。对于LED的热管理，主要分为热量的导出和热量的散发两部分，即导热和散热。
二、LED器件热阻网络系统
1、热界面材料热阻(R界)。由于接触面粗糙程度、空隙等微观因素存在，任意2个固体界面在实际工程中接触时必然存在缝隙，从而使R界变大，严重影响了传热性能。为了大幅度减小R界，一般引入热界面材料(TIM)填充界面空隙，以此改善LED散热问题。
2、热扩散阻值Rs。因LED芯片的尺寸是mm，LED芯片模块的尺寸是cm。由于尺寸差异，在传导中形成了热扩散热阻Rs。当芯片和基板面积相同时，热扩散一般均匀扩散；当芯片小于基板面积时，热扩散可能不均匀，存在集中热源现象。
随着微电子系统和LED封装变得越来越紧凑，如何减少热扩散阻值Rs在热管理中是较重要的问题。在高热流应用中，热扩散阻值Rs占总热阻的60～70％。当Rs很大时，热量不会均匀分布在整个平板上，而是形成集中的热源。调节热扩散热阻最有效的方法是增加热源大小与散热比例，通常采用功率较低的LED组成阵列，以此减少热扩散热阻Rs。
3、元件到环境热阻(R环境)。LED芯片产生的热量经散热装置传递到环境中，该过程中的热阻称为元件到环境热阻，其大小取决于不同的散热设计，不同器件结构间差异较大。
三、LED灯具散热设计
以LED灯具为代表的LED器件的主要应用是室内照明、汽车灯、路灯等。根据灯具热量密度的不同，需采用不同的散热方式。基于热阻网络模型对灯具散热器进行热管理，有可能达到最优的散热结构。LED灯具通过热对流和热辐射将热量传递到空气中，解决方案大致分为被动、主动散热，其区别在于是否需外部电源。被动散热无需外部电源，通过自然对流将热量散发到环境中；主动散热需外部电源，通过强制对流将热量散发到环境中。与主动散热相比，被动散热具有结构简单、成本低、可靠性高等优势，缺点是散热效果不明显，主要应用于小功率电子设备中。对大功率设备一般采用主动散热。
1、被动散热
1)散热器翅片设计和优化。LED灯具热量通过散热器表面翅片自然对流散热，在自然对流下影响翅片散热流场效能的力分为自然对流流场驱动力和翅片阵列阻力两大类。图1所示为两种不同的翅片排列形式，相关参数例如翅片间距、高度、结构、方位等都影响翅片的散热能力。有学者构造了不同形状的翅片，包括矩形、梯形、倒梯形等。实验结果表明，倒梯形的传热系数比梯形和矩形要高。设计并优化水平板翅片散热器的翅片高度、厚度、间距，一般以散发最大热量和使用最小材料为目标。
图1 不同的翅片排列形式
2)散热器材质和结构。常见的LED散热器材质为钢制、铜铝复合、铝合金、铸铁等类型，通过压铸、挤压等工艺制造而成。有学者在翅片表面上焊接金属泡沫或碳泡沫，经实验发现，金属和碳泡沫均能提高传热性能，同时散热器的重量有一定减少。另外，还可使用铁磁流体注入散热器的方法，铁磁流体具有液体和磁铁双重特性，其热导率大于固体，而且在散热器末端增加磁铁后，铁磁流体能在微通道里循环，大幅提高其散热效果。并且发明了导热塑料散热器，发现导热塑料散热器也能满足散热要求，且塑料散热器具有重量轻、运输方便等优点，然而塑料散热器树脂基体耐热性差，在运用中有一定的局限。
3)热管技术。热管由管壳、起毛细作用的吸收液及传递热能的工质构成。热管技术原理一般为工作液体在蒸发区吸收热量变成气体。气体在热管内部的整个空间内流动，再在凝结区凝结成液体。目前，热管技术在LED应用中有多种形式，例如将芯片与均温板相结合，将散热器与翅片焊接来实现高速传热和散热，以及将回路热管与翅片结合起来形成的高效散热器件。
2、主动散热。散热器通过翅片与空气进行热对流和热辐射进行散热过程是被动散热，若在此基础上进一步利用外力如风扇、液冷等方式继续加速散热，即采用主动散热的方法，可实现比被动散热高1～2个能量级的散热效率。主动散热可分为风冷、液冷散热两种形式。
1)风冷散热技术。风冷散热技术具有结构简单、高效性、可靠性高、易于封装处理等优势。其是指将微型风扇与散热器相结合，散热器被动冷却是通过改变散热器表面积、纵横比、翅片间距等因素来改变散热能力，使用风扇则是提高散热器对流换热系数。需优化设计风扇的性能参数，如转速、风量、风压等。
压电风扇是一种微振动机械，用作气流发生器来帮助散热。有学者研究单压电风扇冷却大功率LED的优化方案，分别对风扇的振幅、LED与风扇的距离、风扇长度进行设计，发现使用压电风扇能使LED温度下降。同时，制备一种微型多压电磁性风扇(M-MPMF)，为LED照明的热管理提供一种创新的散热解决方案，M-MPMF仅消耗0.3W的电能，从而能大幅降低温度。
2)液冷散热技术。液冷散热技术是大功率LED设备中常用的散热技术之一，利用液体在导水管中流动，达到散热目的。液冷散热技术包括微透道、微喷射冷却两种类型。
微透道冷却微通道散热器具有比表面积大、传热系数大、质量体积小、冷却剂库存量小等特点。微透道冷却技术由微通道散热器、微泵、储热器、带风扇的小型换热器组成。有仿真验证表明，用于冷却大功率LED阵列的微通道散热器，能达到最小热阻19mK/W。有学者提出用液态金属作为冷却剂来冷却大功率LED，如图1所示。证明在相同负载下使用液态金属作为冷却剂，LED基板温度比水低。
微喷射冷却为大功率电子器件和大功率发光二极管的全表面热流管理及热点提供了一种新的方法。与微通道冷却系统相比，微射流冷却系统由微射流阵列装置、微泵和带散热片的微型流体容器组成。有学者进行了参数化分析，确定了微射流直径、顶腔高度、流量和器件材质的影响，确定了优化设计方案。在优化设计基础上，研制了一种用于220W的LED灯冷却的微射流冷却系统，室温30．8℃时，220W的LED灯芯片衬底温度仅为69.4℃。
综上所述，LED由于晶体缺陷的存在，光电转换效率不高，产生大量的热。因此，在源头上加大对LED芯片的研发，通过改进工艺提高芯片光提取效率、减少热量的产生，可能是未来LED器件的一个发展方向。另外，在散热环节中，开发新型封装材料，如碳纳米材料、高导热材料聚亚胺酯制备的纳米纤维基底，有可能提高材料热辐射性能，增加散热效果，实现热量的向上传递路径。随着LED集成化、轻便化和大功率的发展，现有的散热技术还需进一步的改进，以此来满足应用需求。而热性能测试、热模拟分析、高效率的传热强化技术等方法为LED的高效散热提供了大量帮助。
参考文献：
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