一种热管散热器对大功率LED散热效果的研究

　　一种热管散热器对大功率LED散热效果的研究贾月U2t，唐大伟1（1中国科学院工程热物理研究所，北京100190；2中国科学院研究生院，北京100190）（2011年1月28日收稿：2011年2月28日收修改稿）并研究了LED输入功率和散热器倾斜角度对LED结温和照度的影响。研究结果表明，利用该热管散热系统可以使80W功率LED的结温降至73.5°C，LED输入功率和散热器倾斜角度对结温和照度有明显的影响。

　　LED是一种新型半导体固态光源，具有低功耗、长寿命等显著优点。因此，在能源日趋紧张和环保压力日益加大的情况下，使用LED半导体照明已被公认为是一种节能环保的重要途径。

　　研究表明，大功率LED电光转换效率约为20，剩余的80转化为热能，由于芯片尺寸仅为15mm，导致芯片的功率密度很大。与传统照明器件不同，白光LED发光光谱中不包含红外部分，所以其热量不能依靠辐射释放。对于单个LED而言，如果热量集中在尺寸很小的芯片内而不能有效散出，则极易导致芯片温度升高，从而引起热应力的非均匀分布、芯片发光效率和荧光粉激射效率下降。毛德丰等人研究表明，当结温超过80C时，LED寿命、光通量输出等参数迅速减小。陈伟等人研究表明，利用微喷射流冷却，LED输入功率为9.3W时，结点温度为54.3C.马璐等人研究表明，利用液态金属冷却，LED输入功率为25.7W时，基板温度为33.本文旨在针对80W大功率LED在环境温度为22°C、自然对流冷却的条件下提出一种散热基板一热管散热系统，使结温有效地控制在75C以下。该散热基板采用隧道式结构，因为系统内部工质在一定数值的压力范围内工作、灌装量合理，从而能使集中热量快速均匀地铺展开，基板热流密度超过45W/cm2.在此基础上，本文研究了LED输入功率和散热器倾斜角度对结温和照度的影响。

　　1，尺寸为50mmX50mmX5mm，该散热基板采用隧道式结构，因为其真空度高、灌装量合理，从而能够使集中热量快速均匀地铺展开，其热流密度大于45W/cm2.文中所采用的大功率LED光源是一个额定功率为80W的多芯片模组，即80个1W的LED芯片封装在半径约为25mm的模块中。

　　假定LED光源在输入额定功率的情况下，有80的能量转换为了热能因此，本文所设计、制造的LED散热基板满足LED光源的散热要求。

　　2实验结果与讨论2.1散热器水平放置时的工况研究为散热器水平放置、LED照射方向竖直向下时，散热基板中心温度与LED结点温度随LED输入功率的变化曲线。由可看出，散热基板中心温度随输入功率的增大而近似呈线性增大，这与刘召军等的研究结论相一致；LED结点温度随输入功率的增大而增大，且增大趋势在达到额定功率前后变大。

　　为散热器水平放置、LED照射方向竖直向下时，LED的照度随输入功率变化曲线。由可以看出，LED的照度随输入功率的增大而增加，当输入功率达到额定功率以前，照度的增大趋势明显；当输入功率达到额定功率以后，照度的增大趋势趋于平缓。

　　为散热器水平放置、LED输入功率为额定功率80W时，散热器不同位置的温度分布情况。由可以看出，散热器温度分布均匀，大温差不超过6. 1C，且高温度不超过42. 2.2散热器倾斜放置时的工况研究散热器倾斜角为LED照射方向与竖直向下方向之间的夹角。在实际应用中，LED灯具有时需要倾斜安装，比如路灯的佳倾斜角度为12~20°，而太阳能路灯的倾角则根据当地纬度的不同有所改变，但是一般不会超过20.针对这种情况，本文研究当LED输入功率为额定功率80W时，散热器倾斜角度从0到30之间改变时LED的散热情况。

　　为散热基板中心温度随散热器倾斜角度变化曲线。由可以看出，当散热器倾角在10到30之间时，随着倾斜角度的增加，散热基板中心温度总体呈增大趋势，但15左右倾角对应的散热基板中心温度有所降低，其原因是此时热管内的工质回流较为顺畅，而30左右倾角对应的散热效果差，这与刘召军、鲁祥友等所得结论相一致。

　　热电偶编号散热器倾斜允度/.散热器温度分布散热基板中心温度随散热器倾斜角度变化曲线借助FlukeTi55便携式红外热成像仪对散热器表面温度分布的均匀性进行监测，其中热成像仪的设置为发射率0.95、背景温度22.0C.为散热器水平放置时，散热器表面温度分布图。由可以看出，散热器表面温度分布均匀，表面温度范围29. 337.0C，散热效果良好；为散热器倾角为30时的散热器表面温度分布图，此时散热器温度分布出现明显的不均匀，表面温度范围25.4 42.1C，散热效果不佳。表1为这2种工况下的散热器温度和LED结点温度的对比。由表1可知，散热器0倾角所对应的散热器平均温度和LED结点温度，均比散热器30倾角时有明显降低。

　　表1 2种工况下，散热器温度和LED结点温度的对比倾角高温度/C低温度/C平均温度/C大温差/C结点温度/C 3结点温度分析LED的热量从芯片结点通过金球、衬底、银胶、芯片热沉，终传递到基板上，表2为LED各部分的材料、导热系数、尺寸以及热阻计算结果。

　　表2单个1W的LED芯片热阻热阻计算材料金球衬底银胶银芯片热沉Cu总热阻rKk/w）本文所采用的80W的LED芯片模组相当于80个1W的LED芯片并联，因此从LED结点到基板的热阻为由于铝基板和导热胶的热阻（10 4103K/W）远远小于LED结点到基板的热阻，可以忽略不计。

　　经计算，LED结点温度为75. 9C，该计算结果略高于LED结点实际测量温度73. 5°C，这是因为芯片热沉材料Cu的导热系数会略高于264WKm K），导致了热阻计算结果略高于实际热阻值。

　　4结论本文详细分析了散热基板热管散热系统、LED输入功率、散热器倾斜角度对大功率LED散热效果的影响，结论如下：0C、自然对流冷却的条件下，本文所设计的散热基板一热管散热系统能有效地控制大功率LED的结温。当LED输入功率为80W时，结点温度高值为73.5 C.本文所设计的散热系统，与微喷射流冷却和液态金属冷却相比，有望在同等功率条件下，将LED结温降至更低。

　　散热器倾斜角度对LED散热有着明显影响。在LED输入功率为80W、散热器倾斜角度从0到30之间改变时，散热基板中心温度不超过50°C，其中15左右倾角对应散热效果相对较好，30.左右倾角对应的散热效果差，这说明本系统适用于LED路灯散热。

　　本文所设计的散热基板热管散热系统可以将大功率LED器件中必不可少的接口电极热沉、绝缘层直接制作在金属散热基板上，实现先成型、后灌装，从而有效减小内部热沉界面的热阻，该技术对于大功率LED散热研究与应用具有指导意义。

　　衷心感谢袁达忠、李玉华和陈东芳博士的悉心指导与帮助。bookmark3