1 引言
創(chuàng)建節(jié)約型社會(huì)已成為人們的共識(shí)，但是目前道路照明中仍然大量使用的高壓鈉燈燈具的綜合效率并不高，只有70%左右，且顯色指數(shù)偏低，夜間照明感覺昏暗，不利于汽車駕駛?cè)藛T和行人對(duì)目標(biāo)和障礙物的分辨，對(duì)道路交通安全存在一定的影響。
目前，大功率白光LED在發(fā)光效率(>80lmPW)、使用壽命(>50000h)、光輸出特性、顯色性能(75～80)、色溫的選擇、可調(diào)控性以及綠色無污染等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠按照城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求，方便靈活地設(shè)計(jì)出合乎光輸出要求的、令人滿意的路燈，成為具有極強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的新型優(yōu)質(zhì)光源。在決定LED路燈應(yīng)用的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)中，散熱設(shè)計(jì)是非常重要的一環(huán)，也是制約其能否獲得廣泛使用的技術(shù)瓶頸之一。也就是說，散熱設(shè)計(jì)的好壞將直接決定LED路燈的性能指標(biāo)優(yōu)劣以及實(shí)際的推廣應(yīng)用能否獲得成功。
2 大功率LED的散熱方案
大功率LED是構(gòu)成LED路燈的基本發(fā)光源，目前的芯片電P光轉(zhuǎn)換效率很低，只有15%~20%,芯片的物理尺寸為1～6125mm2,面積很小，功率密度及發(fā)熱量很大，所消耗電能中的80%~85%將轉(zhuǎn)換為熱能而需要被散發(fā)掉，并且芯片的溫度超過一定值時(shí)，發(fā)光波長變長，顏色發(fā)生紅移，將導(dǎo)致芯片出光效率下降和使用壽命減少等諸多問。因此要保證大功率LED能夠正常有效地使用，散熱是首先需要解決的關(guān)鍵問題。
2.1 溫度對(duì)LED的影響及封裝的一次散熱方案
大功率LED芯片工作時(shí)的結(jié)溫高低與光通量、壽命的關(guān)系極為密切。為了將高達(dá)80%~85%的熱量散發(fā)掉，LED在封裝時(shí)就采用了科學(xué)的熱流程設(shè)計(jì)和卓有成效的封裝工藝。通過應(yīng)用高導(dǎo)熱的材料(內(nèi)部熱沉)來保證由芯片產(chǎn)生的高熱能夠順利地導(dǎo)出，使得封裝成型后的LED具有良好的導(dǎo)熱和熱散出性能。
2.1.1 LED結(jié)溫與光通量、壽命的關(guān)系
基于大功率LED的工作特性，其結(jié)溫的高低與光通量的大小、使用壽命的長短有直接的利害關(guān)系。
圖1給出了某國際品牌LED芯片的結(jié)溫與光通量(圖1(a))以及使用壽命(圖1(b))的關(guān)系。
由圖1可見，隨著LED芯片的結(jié)溫升高，其輸出的光通量在有規(guī)律地下降，使用壽命也呈現(xiàn)出快速下降的趨勢(shì)。因此設(shè)法將芯片的溫度維持在允許的范圍內(nèi)，是LED應(yīng)用首先要解決的關(guān)鍵性技術(shù)問題。
2.1.2 LED封裝的一次散熱
LED封裝的一次散熱設(shè)計(jì)是由LED生產(chǎn)階段的工藝來確定的。圖2給出了LED封裝散熱設(shè)計(jì)的一般流程示意，主要是由芯片內(nèi)部的熱設(shè)計(jì)和封裝的熱設(shè)計(jì)構(gòu)成。這樣一來，通過科學(xué)合理的設(shè)計(jì)就能夠得到令人滿意的LED導(dǎo)熱和散熱效果。
圖3給出了典型的LED封裝結(jié)構(gòu)。由圖3可見，封裝透鏡材料幾乎是不導(dǎo)熱的，其作用是將芯片的光輸出進(jìn)行分配和取出，芯片的熱量主要由內(nèi)部熱沉導(dǎo)出后再通過外部散熱器進(jìn)行散熱，因此LED封裝的一次散熱設(shè)計(jì)就是針對(duì)其使用的要求和條件，通過內(nèi)部熱沉的科學(xué)設(shè)計(jì)將芯片產(chǎn)生的高熱有效地導(dǎo)出并傳導(dǎo)給散熱器。
2.2 LED的二次散熱方案
對(duì)于已經(jīng)商品化的大功率LED,由其芯片封裝所構(gòu)建的一次散熱設(shè)計(jì)已經(jīng)固定，使用時(shí)無法更改，因此作為發(fā)光光源在路燈中使用時(shí)，就需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際工況及工作條件等進(jìn)行二次散熱方案的設(shè)計(jì)。
2.2.1 LED二次散熱設(shè)計(jì)流程
LED二次散熱設(shè)計(jì)流程見圖4所示。主要表述為：計(jì)算熱阻和結(jié)溫，看能否滿足LED的散熱要求，如果能夠滿足散熱要求就直接輸出結(jié)果，如果不能滿足LED的散熱要求就要進(jìn)行散熱器設(shè)計(jì)，然后再看設(shè)計(jì)能否滿足LED的散熱要求，能就需要進(jìn)行下一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不能的話就需要重新進(jìn)行散熱器設(shè)計(jì)，直到能夠滿足要求為止。
LED二次散熱設(shè)計(jì)的熱阻網(wǎng)絡(luò)示意圖見圖5所示。圖中虛線框內(nèi)的為LED的一次封裝散熱，主要由LED芯片PD產(chǎn)生的熱量，通過內(nèi)熱阻Rj-c向外傳遞，由外殼和封裝透鏡向外擴(kuò)散，熱阻為RTP。其熱傳導(dǎo)過程表述如下：
LED的內(nèi)部熱沉通過粘結(jié)層將熱量傳遞給金屬線路板，內(nèi)部熱沉與金屬線路板間的熱阻為Rc-b,再由線路板通過粘結(jié)層傳遞給散熱器，熱阻為Rb-s,散熱器將熱量通過熱阻Rs-a向空氣中散發(fā)。
(Tc——內(nèi)部熱沉的溫度;Ts——散熱器最高點(diǎn)溫度;Ta——環(huán)境溫度)。
2.2.2 二次散熱的影響因素
通過分析LED二次散熱的方案和機(jī)理，可以看出影響LED散熱的主要因素有：
(1) 散熱基板作用是與LED的內(nèi)部熱沉相連接，將熱量導(dǎo)出和散發(fā)掉，常見的有：
金屬PCB線路板——為了解決單元LED之間的電路聯(lián)結(jié)與散熱通道相互獨(dú)立的問題而采用的技術(shù)手段。存在的問題是膨脹系數(shù)大、比重大、重量重等。
常見的有將陶瓷與金屬結(jié)合形成的金屬低溫?zé)Y(jié)陶瓷基板等。
金屬基復(fù)合材料板——金屬基復(fù)合材料板為金屬PCB線路板的改進(jìn)型。將金屬材料的高導(dǎo)熱性與增強(qiáng)材料的低膨脹性相結(jié)合，具有膨脹系數(shù)可調(diào)、比重小、導(dǎo)熱率高的特點(diǎn)。
(2) 均溫板
將LED單元之間高熱點(diǎn)的熱量進(jìn)行導(dǎo)出和擴(kuò)散，使其在散熱面上獲得均勻的溫度分布，提高散熱效果，有利于散熱器的總體散熱。
(3) 粘結(jié)層常用于LED芯片與熱沉的粘結(jié)材料有3種：
導(dǎo)熱膠——硬化溫度低于150℃，熱導(dǎo)率小，導(dǎo)熱效果差。
導(dǎo)電銀漿——硬化溫度低于200℃，具有良好的導(dǎo)熱性和較好的粘接強(qiáng)度。
錫漿——與上述兩種粘接劑相比，錫漿應(yīng)該優(yōu)先選用，因?yàn)槠鋵?dǎo)熱性為最優(yōu)，導(dǎo)電性能也很優(yōu)越。
(4) 散熱裝置散熱裝置的設(shè)計(jì)方案及形式較多，歸納起來主要分為兩大類：
被動(dòng)式散熱——特點(diǎn)是散熱時(shí)不需要消耗額外的能源(電能)，但總體的散熱能力有限，適用于中、小功率的LED路燈散熱。
主動(dòng)式散熱——特點(diǎn)是散熱時(shí)需要消耗額外的電能，但散熱的效果好，適用于較大功率LED路燈的散熱。
(5) 改進(jìn)的散熱設(shè)計(jì)為了盡量減小LED的總體熱阻，即減少熱阻的數(shù)量，文獻(xiàn)中提出了一些改進(jìn)方式，歸納起來主要有以下兩種：
薄膜集成封裝——取消金屬PCB板，在金屬散熱器上直接生成絕緣膜和電極膜，由此所得到的散熱效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于常規(guī)的金屬PCB板，能夠進(jìn)一步減小LED的總體熱阻。
散熱器上芯片直接封裝—取消常規(guī)的LED內(nèi)部熱沉，而將芯片直接封裝在預(yù)先設(shè)計(jì)好的具有特殊結(jié)構(gòu)的金屬散熱面上，再進(jìn)行整體封裝。這樣一來也能夠進(jìn)一步減少熱阻。
2.2.3 LED被動(dòng)式散熱方案
LED的被動(dòng)散熱主要適用于中、小功率的LED來散熱。由于不需要額外消耗電能，故應(yīng)用時(shí)總體的效率不受影響。
(1) 自然散熱
自然散熱工作原理是在基板的外側(cè)加上散熱器，通過熱傳導(dǎo)將芯片高熱量導(dǎo)出，然后再通過熱對(duì)流與空氣進(jìn)行交換，將散熱器上熱量散發(fā)掉。
熱傳導(dǎo)的基本公式：
式中，Q為熱量，也就是熱傳導(dǎo)的熱量;K為材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)，熱傳導(dǎo)系數(shù)越高，其比熱的數(shù)值也就越低;A為傳熱的面積(或是兩物體的接觸面積);ΔT為兩端的溫度差;ΔL為兩端的距離。因此，從公式就可以發(fā)現(xiàn)，熱量傳遞的大小同熱傳導(dǎo)系數(shù)、熱傳熱面積、兩端的溫度差成正比，同距離成反比。也就是散熱器的材料要具有高的導(dǎo)熱率，且自身的溫升要低，比熱要大，一般采用具有高導(dǎo)熱性且熱容量大的材料(銅、鋁)制成(參見表1)。
熱對(duì)流的基本公式：
式中，Q為熱量，也就是熱對(duì)流所帶走的熱量;H為熱對(duì)流系數(shù)值;A為熱對(duì)流的有效接觸面積;ΔT為固體表面與區(qū)域流體之間的溫度差。因此熱對(duì)流傳遞中，熱量傳遞的大小同熱對(duì)流系數(shù)、有效接觸面積和溫度差成正比關(guān)系。為了增加散熱效果，即增加其表面與空氣的接觸面積，散熱器的外表面可被制成鰭片狀。鰭片的形狀也有多種多樣，并且鰭片的數(shù)量、位置、尺寸大小、傾斜角度及厚薄等都需要進(jìn)行認(rèn)真研究，除了常見的直線形外，還有波浪形、螺旋形、圓柱形和錐臺(tái)形等，不一而足，目的是為了便于空氣對(duì)流、雨水沖刷，以獲得最佳的散熱效果。在使用的材料上，銅的導(dǎo)熱性能比起鋁要快得多，但銅的散熱沒有鋁快，由此便形成了一種新型的銅鋁復(fù)合型散熱器—將銅鋁各自的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，銅可以快速地把LED芯片的高熱量傳給鋁，再由大面積的鋁鰭片把熱量散去，從而達(dá)到更加良好的散熱效果。
