大功率LED 照明系统的热管理设计

　　目前随着能源危机问题的加剧，基于白光LED 的照明技术受到越来越多的重视，其应用范围也越来越广泛，正在逐步取代传统光源[1]。LED 照明与传统光源所不同的是，LED 芯片不能通过热辐射的方式把在工作时产生的热量散发出去。另一方面，LED 芯片的寿命、光通量、色坐标等参数都与其工作温度息息相关，因此热管理是LED 照明技术中一个十分重要的议题。本文将介绍LED 热管理技术的主要内容，并对热管理技术的优化改进提出建议。

　　LED 照明技术作为一种半导体固态照明技术，其核心是基于GaN 材料的蓝光LED 芯片，LED 芯片在工作时，由于芯片中存在大量的非辐射复合中心等原因，导致了输入LED 的能量中相当大一部分转化为热能， 一般认为，LED 芯片所输入的能量中大约70%左右在工作是转化为热能[2]。如此大量的热能如果不能顺利传导出来，将导致LED 芯片的结温迅速升高，大大降低LED 芯片的使用寿命、光通量等性能指标，严重时会烧毁LED 芯片。

　　目前在LED 照明应用中， 从节约LED 芯片成本方面来考虑，人们往往会通过加大LED 的驱动电流的方式来提高光源的总光通量，而在大电流下工作的大功率LED 芯片，发热量也会大大增加。在这种情况下，LED 芯片的热管理就显得尤为重要。

　　1 LED 照明系统中的热传递

　　热阻R 是评价材料导热性能的物理量，a、b 两点之间的热阻Ra-b的定义为[3]：

　　(1)

　　其中Ta为a 点的温度，单位为℃，Tb为b 点的温度，单位为℃，Pt为耗散的热功率，单位为W。从公式(1)可以看出来，在相同的热耗散功率下，如果两点之间的热阻越小，温差就越小。

　　众所周知，热传递的方式有3 种：传导、对流、辐射。LED照明系统热管理所需要解决的问题主要包括了如何通过传导方式将芯片产生的热传递到周围的散热结构，再通过对流方式和辐射方式将热传递到周围的空气中，最终完成整个散热过程。在这个过程中，如何将整个热传递通道中的热阻降到最低，是提高整个系统的热性能的核心问题。

　　2 热管理优化

　　2.1 热传导及其优化

　　热传导是在两个直接接触的固体直接发生的热传递过程。LED 芯片产生的大量热量首先要通过热传导方式带到芯片周围的散热结构， 因此要使用热的良导体来制作散热结构。人们使用导热系数k 来衡量材料的导热能力。通过热传导传递的热量Qcond(W)由下式给出[4]：

　 (2)

　　其中k 为材料的导热系数，单位是W/mK，A 为热传导材料的截面积，单位为m2，ΔT 为材料两端的温差，单位为K，Δx为热传导的距离，单位为m。从公式(2)可以看出来，要想改善热传导的效果，可以通过加大导热材料的截面积，缩短热传导的距离，并使用导热系数高的材料。另一方面，由于在热传导中的热通路中存在许多界面，如何利用良好的热界面材料来改善界面的导热情况也非常重要。

　　在实际应用中，大功率LED 芯片所产生的热首先要通过LED 芯片封装结构传递出来， 如何在LED 芯片与外界之间建立一条良好的导热通道是十分关键的。传统的LED 芯片封装为正装方式，该方式是通过蓝宝石衬底将LED 结处的热量传递出来，而蓝宝石衬底的导热系数仅为42 W/mK，不利于芯片的散热。最近人们发展了倒装结构和垂直结构的LED 封装方式来改进热传导。倒装结构LED 是通过共晶焊技术将LED 芯片倒装到具有更高导热系数的硅衬底上(导热系数约120 W/mK)[5]， 从而保证LED 产生的热量能够迅速地传递出

　　来。垂直结构LED 通过激光剥离等工艺将GaN 外延层转移至硅、铜等高导热系数的衬底上[6]，从而大大改善散热效果，以铜基板为例，铜的导热系数在400 W/mK 左右。

　　在上面提到的正装、垂直结构和倒装结构等封装方式中，都会涉及到如何利用热界面材料将芯片固定的问题。另外，在印刷电路板和散热片之间也需要热界面材料来填充微小的空气间隙。常用的热界面材料有导热胶、相变材料、导热弹性体和低熔点合金等，例如导电银浆、导热锡膏、共晶焊合金等。碳纳米管具有非常优良的导热性能，其导热系数高达6 600 W/mK[7]，可以作为未来LED 应用中的热界面材料，但是存在工艺复杂、成本高等缺点。

　　2.2 热对流及其优化

　　热对流是指通过液体或气体的流动将热量带走的热传递方式。对于LED 照明系统来说，通常利用热对流方式将散热片的热量散发到周围的空气中。对流有自然对流和强制对流两种方式， 下式中给出了在对流方式中所散发的热量Qconv(W)[8]：

　(3)

　　其中h 为热传递系数， 单位为W/m2K，A 为散热片的表面积，单位为m2，ΔT 为散热片与周围介质之间的温差，单位为K。对于不同的对流散热技术，热传递系数的差距很大，强制水冷对流的热传递系数可以高达10 000 W/m2K，而空气自然对流的热传递系数一般认为大约为10 W/m2K。散热片的使用中，散热片的热对流能力和具体摆放方式有密切的关系。

　　除了自然对流和强制对流外，还可以采用热管技术来改善系统的散热能力[9]。在某些特殊的应用场合，甚至可以使用水冷方式来达到良好的散热效果。具体散热方式的选择，不仅仅与散热效果有关，更多得是决定于成本、可靠性、噪音等因素的考虑。

　　2.3 热辐射及其优化

　　热辐射是热量传递的第3 种方式，一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大， 一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线传播。

　　通过热辐射传递的热量Qrad(W)由下式来确定[10]：

　(4)

　　其中ε 为物体表面的发射率，无量纲，σ 为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，数值为5.67×10-8 W/m2K4，A 为散热表面的面积，单位为m2，Ts为散热材料表面的温度，单位为K，Tf为周围介质的流体温度，通常是指周围空气的温度，单位为K。在其他条件都确定的情况，可以通过提高散热片表面的发射率来改善散热效果。以铝散热片为例，使用阳极氧化工艺来进行表面处理后可以增强其表面发射率，从而改善散热效果[11]。对于散热片的设计，可以使用计算流体动力学来进行仿真[12]，以得到更精确的设计结果，加快设计进度。

　　3 热管理设计实例

　　假设LED 灯具的发热量为100 W， LED 散热底座的温度为55 ℃，周围的环境温度最高为35 ℃，根据公式(2)可知，如果取空气自然对流的热传递系数为10 W/m2K，在不考虑热辐射的情况下，所用散热底座的面积应该为：

　　为了保证照明灯具所使用的1W LED 芯片达到50 000小时的寿命，希望将LED 芯片的结温控制在90 ℃，因此由LED芯片到LED 散热底座的热阻不能超过(90-55)/1=35(℃/W)。热阻的分配如下：由LED 芯片到焊点的热阻为8 ℃/W，焊点到散热底座的热阻必须控制在27 ℃/W， 下一步根据所选择的PCB 板和热界面材料的导热系数k、厚度和面积等参数，利用下面的公式：

　(5)

　　来评估热传递通路上的热阻是否可以达到设计要求。

　　4 结论

　　在热管理设计中，首先要了解整个热通路中每个环节的热阻情况，绘出系统的热阻示意图，找出热传递的瓶颈，然后进行重点改进。例如在热界面材料的选择上要多加注意，选用导热性能不好的热界面材料会使得整个设计前功尽弃。在选择好LED 芯片的前提下，热管理设计以预期芯片结温和工作环境温度作为设计的两个节点，在两个节点之间的热通路上分配温度梯度预算，并估算相应的热阻值，设计应具有足够的余量，可以在严酷的使用环境中保证结温在预期范围内，从而保证LED 芯片长期工作的可靠性。在具体每个

　　部分的设计中，要综合利用3 种热传递方式。以散热片的设计为例，首先要使用热的良导体，充分利用热传导方式，另外要根据使用环境来精心设计散热片的外形结构，以最大限度地利用热对流方式，最后还要尽可能提高散热片表面的发射率，充分利用热辐射方式来进行散热。

　　从以上的分析可以看出，大功率LED 照明系统的热管理设计是一个需要综合考虑的工程问题，必须要在系统级层次上进行总体优化，才能达到良好的散热效果。