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1、灯具结构及散热设计探讨与实用解决方案针对世界金融风暴的应对，中央发改委拿出 4万亿连同地方财政的支持，预计将有十多万亿的资金投入到国家交通、扶持企业、完善基础建设上。最近国家科技部在全国启动“十城万盏” LED路灯半导体照明应用工程，在这股强劲东 风下，一贯得到政府支持的半导体照明产业， 将是一个大发展的契机。许多企业 都看好这个朝阳产业的发展空间，特别是半导体户外照明的明显节能优势。 于是 乎近2年一哄而上的诸多企业，在还不甚了解半导体道路照明制作的特点下，模拟、仿造、沿着现今的常规照明路灯多种“蛇头”形状制作，一时间“百家争鸣， 百花齐放”的产品纷纷推向市场。经过这两年上路实验情况的检验，
2、大部分的产 品均存在不同程度的问题。问题出现在：1. 由于对LED光源工作条件的要求不甚了解，造成光衰减严重甚至死灯；2. 对道路照明要求感悟不足，科学性点光源光学配光难点及对色温在道路照明 中的重要性的忽略，易造成眩光、斑马效益和在空气污染严重、 下雨有雾天气的 环境中，造成灯亮地不够亮的现象；3. 对保证LED工作条件和对电源技术性的认知程度不足，造成产品在电源上的 故障层出不穷；4. 对当今LED路灯实用性道路的应用概念不清，盲目的与大功率气体放电灯“媲美”，不计成本的制作超大功率LED路灯，造成不切实际的价格昂贵的路灯 产品，难以推广；5. 对道路照明要求模糊，实际使用维护的欠考虑，造
3、成直接使用业主的抵制。本人针对以上问题与大家一起讨论解决方案对LED光源的工作环境这个问题的讨论，需了解LED的基本常识：发光二极管其 核心是PN结，一次它具有一般P N结的I N特性，即正向导通，反向截止， 击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P去注入N区，进入对方区域的少数载流子（少子）一部分 与多数载流子（多子）复合而发光，其现今大功率LED发光效率约为30% 70%将转换为热能，需要为其做散热处理。如图 1所示。7经测试，发光二极管可正常工作的环境温度应使其结温73啊40效率将大大降低，甚至于烧毁。如图 2所示从测试数据图示表可以清晰
4、的看出 LED的工作环境温度对其寿命的直接影响的 重要性。特别值得一提的是：对散热材料的热平衡速度要求重视度不够，造成光源的热得不到有效的处理引起光衰减严重。一般功率器件（如电源IC）的散热计算中，只要结温小于最大允许值（一般是125C）就可以了。但在大功率LED散热设计中，其结温TJ要求比125C低得多。 其原因是TJ对LED的出光率及寿命有较大影响：TJ越高会使LED的出光率越低， 寿命越短。TJ=50C时，寿命为90000小时；TJ=80C时，寿命降到34000小时；TJ=115C时，其寿命只有13000小时了；TJ在散热设计中要提出最大允许结温值 TJmax,实际的结温值TJ应小于或等
5、于要求的 TJmax,即 TJ大功率LED路灯的散热路径如图3所示:在热的传导过程中，各种材料的导热性能不同，即有不同的热阻。若管芯传导到散热垫底面的热阻为 RJC（ LED的热阻）、散热垫传导到PCB面层 敷铜层的热阻为RCB PCB专导到环境空气的热阻为RBA则从管芯的PN结TJ传 导到空气TA的总热阻RJA与各热阻关系为：RJA=RJC+RCB+RBA热阻越小，其导热性能越好，即散热性能越好。可以通过试验、计算得出TJ方法是基于用某种PCB及一定散热面积。如果计算出来的TJ小于要求（或等于）TJmax则可认为选择的PCB及面积合适； 若计算来的TJ大于要求的TJmax则要更换散热性能更好
6、的PCB或者增加散热 器的散热面积。在室温条件下测得的（室温一般 1530C）：若LED灯使用的环境温度TA大于室温时，则实际的TJ要比在室温测量后计算的TJ要高，若测试时在恒温箱中进行，其温度调到使用时最高环境温度，为最佳。PCB是水平安装还是垂直安装，其散热条件也不同，灯具的外壳材料、尺寸及有无散热孔对散热也有影响。因此，在设计时要留有余地。图4A.目前散热器的状况是怎样的？什么样材质的散热器散热效果最好？什么样的设计最适合空气对流？这是目前 LED灯具散热方面比较突出的三个问题。多篇文章中都阐述了散热是靠面积而不是靠体积的大小，许多企业都了解个中道理，于是诸多壳体采用了多层翅片散热（如图
7、 4）,但往往忽略了翅片积尘和自 洁性差的问题，灯具使用一段时间后灯壳上积累的灰尘容易结成污垢，影响了灯具的散热，从而影响了灯具的寿命。材料分析先从金属的热传递系数表来分析（如表 1）基本单位为w/m?K,即截面积为1平方米的柱体沿轴向1米距离的温差为1开尔 文时的热传导功率。热传导系数越大，表示材料散热特性越好。影响物质导热系 数的因素很多，主要为物质的种类和温度、湿度、密度有关。表1，金属热传递系数表OC从上表看，各种材料都有自己的优缺点金、银：热传导系数比较高，但价格太贵；纯铜：散热效果侧次之，但已经算是非常优秀的了，缺点是价格高，重量重，不耐腐蚀；铝合金：散热效果比较优秀，重量轻，适合
8、做风冷散热器。现在大多数散热器都是采用轻盈坚固的铝材料制作的，但若对比铝材散热器和纯 铜散热器可以发现，纯铜散热器导热性能比铝快得多， 但散热没有铝快，且易出 现老化现象。于是我们不凡尝试将铜的快速导热和铝的快速散热的优点结合起 来，采用铜铝结合的方法来做散热器（如图 5所示）单靠铝材的散热速率是不够的，敷上薄铜面就形同一滴水在一平面上迅速达到平面的平衡扩散，通过整个面的热传导至散热壳体，将会 有助于散热的效果。散热设计方法目前LED户外灯具的散热一般都是靠阵列的鳍片来散热， 这种方式往往忽略了防 尘和积尘的问题，导致散热效果差。因此应从在自然条件下规避积尘的最小化， 不同方向风和雨的自然冲刷
9、可易性和清除灰尘的粘附性。保证热沉壳体的散热效果不受恶劣环境的影响，散热通道的畅通，做到真正的长寿命。适合空气对流的设计方式大家共同来探讨一个散热设计方式： 散热是靠面积的道理显而易见，是否可以将散热面做成柱状或多面形锥体（如图 6所示）材质：铝合金散热面积：散热面积有两部分组成，裸露在空气中的基板面积及针状翅片面积;基板面积约为（249+348） /2* （ 407-293）=34029mm2=0.034029 m2翅片散热面积约为（9.2+12.4）/2*3*24*64=52115 mm2=0.052115 m2总的散热面积约为0.034029+0.052=0.086 m2根据对流换热公式
10、，估算出温差（即热沉和环境之间的温差）约为：31.2/0.086/12=30.2 度在增加散热面保证散热效果的基础上，解决了不同方向的风和雨的自然冲刷可易 性和清除灰尘的粘敷性的问题，保证了热沉壳体的散热效果不受恶劣环境的影 响。特殊散热涂料散热过程分析：热移动主要有以下三种基本方式 （附图7）:1. 热幅射：由热运动产生，热量以电磁波形式传递。2. 热传导：温度不同的物体各部分之间或温度不同的各物体之间直接接触时，依靠分子、原子即自由电子等微观粒子的热运动而进行热量传递的现象3. 热对流：由系统内流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混而产生的热量传递现象称为热对流。散热涂料时利用热辐射
11、的方式进行散热的热幅射是什么呢?是由于原子或分子的热运动放出的电磁波的一种。物体只要不是绝对零度、必定会有热的幅射。温度低的时候，会放射长波电磁波（红外线），随着温度的上升 也会放出短波电磁波。也就是说物体一直通过热幅射来散失热量（冷却） 幅射率是表示热（红外线）的幅射容易程度的指标。加在物体上的热量100%畐射的状态表示为幅射率=1.0（100% ）。散热涂料的特点：1. 散热涂料能够利用热的幅射，降低基材自身和周围环境温度。2. 从近红外线（0.751.5卩m）到远红外线（15100卩m，在所有的红外线领域的 幅射特性都很优异。3. 从低温到高温（1000r左右）表现出稳定的散热特性4 .
12、可以制作各种彩色涂层。散热实验结果如图8所示，散热效果测定如图9所示如下图所示、用加热器对铝制散热片（无涂装）与涂装后的散热片加热，测定散 热鳍片的平均温度上升情况。结果如上图所示涂装后的散热片，在各个功率下均显示较低的温度，与无涂覆的 铝制散热片相比、表现出更优异的散热特性。图8散热试验结果nmm散热效果测定B.使用导热硅胶、导热硅脂、导热垫等散热材料是否合适？它们在路灯高温工 作环境下的适用寿命多长？是否有更好的材料来代替？或者是通过设计减少这 些材料的使用。当散热器表面和芯片表面接触时，存在的很多沟壑或空隙中都是空气（如图10）。 空气的导热能力很差，因此必须用其它物质来降低热阻，否则散
13、热器的性能会大 打折扣，甚至无法发挥作用。导热硅脂是用来填PCB吕基板与散热片之间的空隙的材料的一种，这种材料又称 之为热界面材料。其作用是用来向散热片传导 PCB散发出来的热量，使PCB温度 保持在一个可以稳定工作的水平，防止PCB因为散热不良而损毁，并延长使用寿 命。导热系数导热系数的单位为 w/m?K（或w/m?c），表示截面积为1平方米的柱体沿轴向1 米距离的温差为1开尔文（K=C +273.15）时的热传导功率。数值越大，表明该 材料的热传递速度越快，导热性能越好。目前主流导热硅脂的导热系数均大于1W/m?K，优秀的可达到6W/m?K以上，是空气的200倍以上。但是和铜铝这些金属材料
14、相比，导热硅脂的导热系数只有它们 的1/100左右，换而言之，在整个散热系统中，硅脂层其实是散热瓶颈之所在。对于一个散热系统而言，不仅是散热器的事，导热介质也是很重要的组成部分：散热系统的总热阻=散热器热阻+导热介质热阻导热硅脂作为我们最常用的导热介质， 其重要性不言而喻了，要降低其热阻，一 方面取决于产品本身的性能，另一方面取决于对产品的使用。因此我们要尽量选用那些导热性能好热阻低的导热硅脂， 并在使用上多加注意，在保证硅脂完全 填充热源和散热器表面空隙前提下，涂抹方式硅脂层尽可能地薄。寿命问题制作再精良的散热片直接和PCB铝基板接触难免都有空隙出现，而缝隙之间的空 气是热的不良导体，会大大阻碍热量从 PCB铝基板传导到散热器上。 导热硅脂 的作用是填充PCB铝基板与散热片之间的空隙并传导热量。热传统的导硅脂采用 了硅酮混合金属氧化物制作。但是所有硅脂都存在一个问题，由于硅酮会与混合 的填充材料产生分离，造成导热能力大幅度下降，这个就是导热硅脂的使用寿命 问题。我们和有关认识正在研究在热沉材料上进行特殊的陶瓷化处理，直接印制电路，经过这样的优化处理后将会解决散热的导热环节。C.结构是一体化还是组合式更合理？或者有更合理的方式以及发展方向从国内现有参与制作LED路灯的企业来看，大部分没有制作过路灯照明的经验， 对路
