LED器件的散熱分為一次封裝散熱和二次熱沉散熱兩部分，一次封裝散熱主要是通過改善LED自身封裝材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行散熱，二次熱沉散熱主要是通過設(shè)計開發(fā)外部的熱沉結(jié)構(gòu)對LED進(jìn)行熱控制。因此，要真正實現(xiàn)大功率LED的有效散熱，需同時解決好一次散熱和二次散熱問題。常見的二次熱沉散熱結(jié)構(gòu)是將多顆大功率LED陣列在鋁熱沉上，如圖1所示。隨著應(yīng)用LED功率的增大，出現(xiàn)了熱管散熱、液體冷卻散熱、熱電制冷散熱等新型二次熱沉散熱結(jié)構(gòu)。魯祥友等提出了一種將大功率LED散熱和回路熱管傳熱相結(jié)合的用于大功率LED冷卻的熱管散熱器，并對其傳熱性能和整體的均溫性進(jìn)行了實驗研究。袁柳林設(shè)計了大功率LED陣列封裝的微通道制冷結(jié)構(gòu)，并用熱分析軟件模擬了其熱學(xué)性能及其參數(shù)的影響。唐政維等設(shè)計了一種采用半導(dǎo)體致冷技術(shù)散熱的集成大功率LED，不僅散熱效果良好，且還可以使LED器件在高溫、震蕩等惡劣環(huán)境中正常工作。PetroSki開發(fā)了一種新型熱沉來實現(xiàn)大功率LED的冷卻，該熱沉基于自然對流實現(xiàn)換熱，采用圓柱結(jié)構(gòu)，周圍布滿了縱向分布的翅片，該設(shè)計可實現(xiàn)散熱效果各向同性。S.W.Chau等提出了一種采用電流體動力學(xué)方法（EHD）冷卻LED的裝置，由氣體放電得到離子風(fēng)進(jìn)行強迫對流散熱，其對流換熱系數(shù)是自然對流的7倍，使熱沉溫度保持在20～30℃，并研究了不同條件下的散熱效果。LiuChunkai等人將硅基熱電制冷器（te）與倒裝大功率LED集成，研究了大功率LED的性能，證實硅基熱電制冷器的熱阻可降低至零，并能有效提高出光效率，降低Pn結(jié)結(jié)溫，是一種有效的主動冷卻方式。

圖1：典型二次熱沉散熱結(jié)構(gòu)

　　當(dāng)前眾多LED路燈示范工程中大部分采用全鋁熱沉作為二次熱沉散熱結(jié)構(gòu)。隨著微熱管技術(shù)的發(fā)展及LED器件功率的增大，微熱管技術(shù)已經(jīng)越來越多地應(yīng)用到LED器件的二次熱沉散熱結(jié)構(gòu)中。為了研究不同熱沉結(jié)構(gòu)的實際散熱效果，本文設(shè)計了具有三種不同熱沉結(jié)構(gòu)的大功率LED照明裝置，并對其散熱性能進(jìn)行了實驗對比。

　　1、大功率LED照明裝置典型熱沉結(jié)構(gòu)性能分析

　　1.1典型熱沉散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　圖2所示為具有全鋁熱沉型散熱結(jié)構(gòu)的大功率LED照明裝置（結(jié)構(gòu)Ⅰ）。LED燈主要通過MCPCB板、鋁基板、鋁熱沉肋基的熱傳導(dǎo)和鋁熱沉肋片的熱傳導(dǎo)及自然對流將熱量散發(fā)到空氣中。此結(jié)構(gòu)主要利用高熱導(dǎo)率金屬鋁合金作為熱傳導(dǎo)介質(zhì)，利用鋁肋片作為擴展表面增強表面?zhèn)鳠崮芰Α?/p>

（a）照明系統(tǒng)

（b）散熱路徑

圖2：鋁熱沉型散熱器

　　圖3所示為具有微熱管散熱結(jié)構(gòu)的大功率LED照明裝置（結(jié)構(gòu)Ⅱ）。LED燈主要通過MCPCB板、鋁基板、微熱管的熱傳導(dǎo)及鋁肋片的熱傳導(dǎo)及自然對流將熱量散發(fā)到空氣中。結(jié)構(gòu)Ⅱ與結(jié)構(gòu)Ⅰ的差異在于利用了極高熱導(dǎo)率的微熱管作為熱傳導(dǎo)介質(zhì)，利用多個獨立的極薄鋁翅片以穿片的方式形成擴展表面增強散熱能力，但肋片之間的間隙不能過小以至于阻礙空氣的流動，這會導(dǎo)致對流換熱系數(shù)減?。?］；且各薄鋁翅片進(jìn)行了表面鍍鎳處理，以增強抗腐蝕能力。微熱管是一種熱導(dǎo)率極高的導(dǎo)熱元件，具有響應(yīng)快、等溫性能好等優(yōu)點，熱阻可忽略不計。

（a）照明系統(tǒng)

（b）散熱路徑

圖3：微熱管散熱器

　　圖4所示為具有微熱管－風(fēng)扇散熱系統(tǒng)的大功率LED照明裝置（結(jié)構(gòu)Ⅲ）。此結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)Ⅱ相同，只是增加了溫控儀和風(fēng)扇系統(tǒng)，以實現(xiàn)主動強迫對流散熱，當(dāng)器件溫度較低時，風(fēng)扇不運轉(zhuǎn)，肋片進(jìn)行自然對流散熱。

（a）照明系統(tǒng)

（b）散熱路徑

圖4：微熱管－風(fēng)扇散熱器

　　1.2 三種典型熱沉的等效熱阻模型

　　熱能傳遞的三種基本方式：熱傳導(dǎo)、熱對流與熱輻射。對于上述三種照明裝置，主要利用了熱傳導(dǎo)和熱對流這兩種熱傳遞方式。

　　熱傳遞的基本方程為：　　

 　　式中，λ是比例系數(shù)，稱為熱導(dǎo)率，又稱導(dǎo)熱系數(shù)（thermaLConduCtivity）。

 溫度分布為：

　　式中，α＝λ/ρC稱為熱擴散率或熱擴散系數(shù)（therma Ldiffu Sivity）。

 　　熱對流基本方程為：

　　式中，比例系數(shù)h稱為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)，也稱對流換熱系數(shù)。

　　根據(jù)上述方程可以求出其熱流量Φ，利用熱擴散和電荷擴散之間存在的類比關(guān)系，可以定義導(dǎo)熱熱阻為：

　　則對流熱阻為：

 上述三種照明裝置結(jié)構(gòu)類似，則其等效熱阻網(wǎng)絡(luò)如圖5所示，表達(dá)式為：

 式中，rtotaL為總熱阻，rjS為從結(jié)點到內(nèi)部熱沉的熱阻，rSP為從內(nèi)部熱沉到MCPCB板的熱阻，rPb為從MCPCB板到鋁基板的熱阻，rbh為從鋁基板到熱沉的熱阻，rha為從熱沉到空氣的熱阻。

圖5：等效熱阻網(wǎng)絡(luò)圖

　　1.3、實驗研究及性能分析

　　1.3.1、實驗方法

　　對上述三種結(jié)構(gòu)的照明裝置進(jìn)行了實驗研究，采用k型熱電偶對鋁基板及翅片的關(guān)鍵特征點進(jìn)行接觸式測量。測量時環(huán)境溫度為31℃，風(fēng)速為0.8m/S。圖6所示為測量點的位置分布圖，結(jié)構(gòu)與圖3（a）結(jié)構(gòu)相同，用實線連接的點為熱電偶測量點，實線連線成斜n型分布，由對稱性畫出虛線連線，可看出其基本覆蓋特征點，是一種合理的測量分布。由于結(jié)構(gòu)Ⅲ的密封性，只取C、d、e、Ｇ四個點的位置進(jìn)行測量。

圖6：位置分布圖

　　1.3.2、實驗結(jié)果及分析

　　測得各照明裝置的基板、翅片平均溫度如表1所示。三種結(jié)構(gòu)中由LED燈到鋁基板的結(jié)構(gòu)相同，即由LED芯片到鋁基板的熱阻是相等的，不等的是外部熱沉到空氣的熱阻。所以，由鋁基板的溫度即可比較各結(jié)構(gòu)中LED芯片Pn結(jié)的結(jié)溫。由表1可知，結(jié)構(gòu)Ⅲ的Pn結(jié)結(jié)溫是最低的，此照明裝置的散熱是最佳的。Pn結(jié)結(jié)溫由其外部熱沉的二次散熱決定，外部熱沉的熱阻由傳導(dǎo)介質(zhì)的熱導(dǎo)率、肋片的表面總效率、空氣的對流換熱系數(shù)決定，三者都是越大越好。三種結(jié)構(gòu)中，微熱管的導(dǎo)熱率是極高的，相互靠得很緊的薄肋片有效度是較大的，風(fēng)扇運行后其對流換熱系數(shù)是較大的。

表1：各照明裝置平均溫度分布

　　圖7、8、9所示分別為結(jié)構(gòu)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的鋁基板和翅片溫度分布圖，可以看出：（1）三種結(jié)構(gòu)各自的鋁基板和翅片溫度分布基本一致，且翅片溫度低于鋁

（a）基板

（b）翅片

圖7結(jié)構(gòu)Ⅰ溫度分布圖

（a）基板

（b）翅片

圖8結(jié)構(gòu)Ⅱ溫度分布圖

（a）基板

（b）翅片

圖9：結(jié)構(gòu)Ⅲ溫度分布圖

　　基板溫度，符合熱傳導(dǎo)溫度分布規(guī)律；（2）結(jié)構(gòu)Ⅰ的溫度一直處于緩慢增長當(dāng)中，說明LED芯片產(chǎn)生的熱量不能及時的散發(fā)到空氣中，導(dǎo)致溫度增加；（3）結(jié)構(gòu)Ⅱ、Ⅲ的溫度能很快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而結(jié)構(gòu)Ⅰ則需較長時間，因為微熱管的熱擴散系數(shù)大，其對熱環(huán)境的改變反應(yīng)快，容易到達(dá)新的平衡狀態(tài)；（4）結(jié)構(gòu)Ⅱ、Ⅲ的溫度增長曲線分布基本一致，溫度快速上升至拐點，后溫度基本穩(wěn)定在某一值，因結(jié)構(gòu)Ⅲ中的風(fēng)扇是當(dāng)腔內(nèi)的溫度上升至45℃時啟動，所以其溫度達(dá)拐點后溫度略有下降；（5）對比三種結(jié)構(gòu)的翅片溫度分布可知，結(jié)構(gòu)Ⅰ的翅片溫度分布最為均勻，而結(jié)構(gòu)Ⅱ翅片溫差最大，由于其采用相互靠得很緊的薄肋片，使得中部翅片間的流體流動受到阻礙，對流換熱系數(shù)稍有減小，溫度升高。

　　1.3.3結(jié)溫的計算及壽命預(yù)測

　　利用傳熱學(xué)熱阻基本公式：

　　式中，rj－ref為Pn結(jié)結(jié)點到某個參照點熱阻，Δtj－ref為結(jié)溫tj與參照點溫度tref溫差，Pd為耗散功率。

　　可將公式改寫為：

　　根據(jù)上述三種照明裝置的測試情況，可將鋁基板的溫度定為參照點的溫度tref，則求出Pn結(jié)點到鋁基板的熱阻rj－ref，即可求出結(jié)溫。根據(jù)上述熱阻模型公式，，即為LED封裝熱阻與MCPCB板熱阻之和。單顆1WLED的封裝熱阻為9℃/W，0.8mmMCPCB板的熱阻為7℃/W，單顆3WLED的封裝熱阻為14℃/W（注：不同公司或型號的LED熱阻有所不同）。由于結(jié)構(gòu)Ⅰ尚未達(dá)到穩(wěn)態(tài)，不能計算其結(jié)溫，結(jié)構(gòu)Ⅱ和Ⅲ中LED結(jié)溫如表2所示。

表2：各照明裝置結(jié)溫分布

　　結(jié)構(gòu)Ⅰ在測試過程中，當(dāng)其運行至80min時出現(xiàn)不穩(wěn)定狀況，為防止發(fā)生意外，停止測試。由此可知，結(jié)構(gòu)Ⅰ的散熱效果是不可靠的。由表2可知，結(jié)構(gòu)Ⅱ的結(jié)溫較高，但仍在其允許的工作溫度范圍內(nèi)，主要由于其輸入功率較大，單顆3WLED的熱阻也較大，且翅片與空氣進(jìn)行自然對流散熱，換熱系數(shù)較小，因此需要對其進(jìn)行改進(jìn)。結(jié)構(gòu)Ⅲ能夠使照明裝置保持在較低溫度下運行，是對結(jié)構(gòu)Ⅱ的一種改進(jìn)。根據(jù)ediSon公司給出的大功率白光LED的結(jié)溫在亮度70％時與壽命的關(guān)系可知，當(dāng)芯片結(jié)點溫度為110℃時，其壽命約為16000h；芯片結(jié)點溫度為57℃時，壽命約為70000h。結(jié)構(gòu)Ⅲ可以有效的實現(xiàn)大功率LED照明裝置的散熱，大大提高照明裝置的使用壽命。

　　1.3.4 結(jié)溫的影響因素

　　為了更好地實現(xiàn)LED照明裝置的設(shè)計，使其結(jié)溫較低以獲得更長的使用壽命，采用正交方法模擬了LED結(jié)溫的影響因素。風(fēng)扇的可靠性低、壽命短，會對LED照明裝置的應(yīng)用產(chǎn)生不利的影響，因此研究如何在自然對流條件下實現(xiàn)其散熱是非常有用的。取結(jié)構(gòu)Ⅱ中的單個模組進(jìn)行有限元anSyS10.0模擬，采用三因素三水平正交試驗表，三因素分別為：介質(zhì)傳導(dǎo)率、對流換熱系數(shù)和熱流密度。介質(zhì)傳導(dǎo)率是指結(jié)構(gòu)Ⅱ中微熱管部分的熱導(dǎo)率；對流換熱系數(shù)是指翅片與周圍空氣的對流系數(shù)；熱流密度是指MCPCB板上的熱流密度（即：單顆LED燈功率/MCPCB板面積）（注：實際上芯片熱流密度為LED燈功率/LED芯片面積，其到MCPCB板時熱流密度會發(fā)生改變且不等于LED燈功率/MCPCB板面積，由于目前沒有變熱流密度的相關(guān)理論，所以在此模擬試驗中統(tǒng)一取加載在MCPCB板上的熱流密度為LED燈功率/MCPCB板面積，其得到的MCPCB板溫度小于實驗值）。則其因素水平表如表3所示。得到的模擬實驗結(jié)果如表4所示。對其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到極差如表5所示。

表3：正交試驗因素水平表

表4：正交試驗結(jié)果

表5：數(shù)據(jù)處理結(jié)果

　　表5中，珚y為實驗結(jié)果的均值：

　　kij為第j列因素第i水平的實驗結(jié)果之和，第j列因素第i水平的效應(yīng)ωij：

　　其中，S為第j列上，水平號i出現(xiàn)的次數(shù)，極差rj為：

　　由上表可知：對流換熱系數(shù)對結(jié)溫的影響非常小，可認(rèn)為其與誤差波動的影響一樣大，可忽略不計；熱流密度的影響最大，介質(zhì)熱導(dǎo)率其次，但兩者的極差相差不大。即：在自然對流的情況下（系數(shù)約為5～10），對流換熱系數(shù)的影響可忽略不計；而微熱管的熱導(dǎo)率可使結(jié)溫降低很多（ω2j為－33.328）；LED燈功率的增大會導(dǎo)致熱流密度的大大增長，從而導(dǎo)致結(jié)溫的大大升高（LED燈從3W到5W，ωij從2.017到28.136）。設(shè)計LED照明裝置時，若為自然對流方式，則不必考慮其放置環(huán)境的換熱系數(shù)，而盡量提高其導(dǎo)熱環(huán)節(jié)的熱導(dǎo)率，尋找新的高熱導(dǎo)率部件；對LED燈的功率進(jìn)行控制，結(jié)合整個裝置的散熱能力來確定LED燈的功率。

　　2、結(jié)論

　　目前，LED器件正不斷地朝著更大功率方向發(fā)展，功率型LED的驅(qū)動電流也不斷增大，這使得解決散熱問題已經(jīng)成為大功率LED實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的先決條件。針對LED器件的散熱環(huán)節(jié)，將其分為一次封裝散熱和二次熱沉散熱。一次封裝散熱主要取決于LED燈的封裝結(jié)構(gòu)和封裝材料，二次熱沉散熱主要取決于外部熱沉的結(jié)構(gòu)及散熱方式。降低封裝熱阻是解決LED散熱最根本的途徑，但是在新的封裝結(jié)構(gòu)和材料出現(xiàn)前，優(yōu)化LED器件的二次熱沉散熱是目前的關(guān)鍵。 本文對三種大功率LED照明裝置的二次熱沉散熱進(jìn)行了散熱原理比較、實驗性能分析，建立了熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，對其進(jìn)行了結(jié)溫計算和壽命預(yù)測，發(fā)現(xiàn)微熱管、薄肋片、風(fēng)扇可以很好的實現(xiàn)散熱，并利用正交試驗法對LED照明裝置結(jié)溫的影響因素進(jìn)行了模擬分析，發(fā)現(xiàn)自然對流條件下，對流換熱系數(shù)的影響可忽略不計，而需盡量提高導(dǎo)熱環(huán)節(jié)的熱導(dǎo)率并結(jié)合其散熱能力進(jìn)行功率的控制。為微熱管散熱技術(shù)提供了技術(shù)參考，為大功率LED器件的二次熱沉散熱提供了有效的實現(xiàn)途徑，但實際應(yīng)用中需要對其整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。