LED散熱技術(shù)之散熱方式及散熱材料

散熱是影響LED燈具照明強(qiáng)度的一個主要因素。LED燈具比傳統(tǒng)的白熾燈能效高80%，但是其LED組件和驅(qū)動器電路散熱量很大。如果這些熱量沒有適當(dāng)?shù)呐欧懦鋈?，LED燈具的發(fā)光度和壽命將會急劇下降。

散熱片能解決低照明度LED燈具的散熱問題。燈具廠商能生產(chǎn)40W LED替代燈以及60W LED替代燈。高照明度LED燈具就會遇到散熱問題。一個散熱片是無法解決75W或者100W LED燈具的散熱問題的。

對高亮度燈泡的需求顯而易見，75W和100W燈泡占據(jù)了照明市場很大份額。市場都渴望利用LED燈具固有的節(jié)能和維修優(yōu)勢。2007年的美國能源獨(dú)立和安全法案要求從2012年起使用更高效率的照明燈具。這些新要求促使消費(fèi)者們尋找照明質(zhì)量好、壽命高并且照明度強(qiáng)的燈具來替代現(xiàn)有的白熾燈。

為了達(dá)到理想的照明強(qiáng)度，必須使用主動冷卻技術(shù)來解決LED 燈具組件釋放的熱量。一些主動冷卻解決方案例如風(fēng)扇的壽命沒有LED燈具高。為了給高亮度LED燈具提供一個實(shí)用的主動冷卻解決方案，散熱技術(shù)必須是低能耗的；并且能適用于小型燈具；其壽命要與燈源相似或高于燈源。

散熱方式

一般說來，依照從散熱器帶走熱量的方式，可以將散熱器分為主動式散熱和被動式散熱。所謂的被動式散熱，是指通過散熱片將熱源LED光源熱量自然散發(fā)到空氣中，其散熱的效果與散熱片大小成正比，但因?yàn)槭亲匀簧l(fā)熱量，效果當(dāng)然大打折扣，常常用在那些對空間沒有要求的設(shè)備中，或者用于為發(fā)熱量不大的部件散熱，如部分普及型主板在北橋上也采取被動式散熱，絕大多數(shù)采取主動式散熱式，主動式散熱就是通過風(fēng)扇等散熱設(shè)備強(qiáng)迫性地將散熱片發(fā)出的熱量帶走，其特點(diǎn)是散熱效率高，而且設(shè)備體積小。

主動式散熱，從散熱方式上細(xì)分，可以分為風(fēng)冷散熱、液冷散熱、熱管散熱、半導(dǎo)體制冷、化學(xué)制冷等等。

風(fēng)冷風(fēng)冷散熱是最常見的散熱方式，相比較而言，也是較廉價的方式。風(fēng)冷散熱從實(shí)質(zhì)上講就是使用風(fēng)扇帶走散熱器所吸收的熱量。具有價格相對較低，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。但對環(huán)境依賴比較高，例如氣溫升高以及超頻時其散熱性能就會大受影響。

液冷

液冷散熱是通過液體在泵的帶動下強(qiáng)制循環(huán)帶走散熱器的熱量，與風(fēng)冷相比，具有安靜、降溫穩(wěn)定、對環(huán)境依賴小等等優(yōu)點(diǎn)。液冷的價格相對較高，而且安裝也相對麻煩一些。同時安裝時盡量按照說明書指導(dǎo)的方法安裝才能獲得最佳的散熱效果。出于成本及易用性的考慮，液冷散熱通常采用水做為導(dǎo)熱液體，因此液冷散熱器也常常被稱為水冷散熱器。

熱管

熱管屬于一種傳熱元件，它充分利用了熱傳導(dǎo)原理與致冷介質(zhì)的快速熱傳遞性質(zhì)，通過在全封閉真空管內(nèi)的液體的蒸發(fā)與凝結(jié)來傳遞熱量，具有極高的導(dǎo)熱性、良好的等溫性、冷熱兩側(cè)的傳熱面積可任意改變、可遠(yuǎn)距離傳熱、可控制溫度等一系列優(yōu)點(diǎn)，并且由熱管組成的換熱器具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、流體阻損小等優(yōu)點(diǎn)。其導(dǎo)熱能力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過任何已知金屬的導(dǎo)熱能力。

半導(dǎo)體制冷

半導(dǎo)體制冷就是利用一種特制的半導(dǎo)體制冷片在通電時產(chǎn)生溫差來制冷，只要高溫端的熱量能有效的散發(fā)掉，則低溫端就不斷的被冷卻。在每個半導(dǎo)體顆粒上都產(chǎn)生溫差，一個制冷片由幾十個這樣的顆粒串聯(lián)而成，從而在制冷片的兩個表面形成一個溫差。利用這種溫差現(xiàn)象，配合風(fēng)冷/水冷對高溫端進(jìn)行降溫，能得到優(yōu)秀的散熱效果。半導(dǎo)體制冷具有制冷溫度低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，冷面溫度可以達(dá)到零下10℃以下，但是成本太高，而且可能會因溫度過低導(dǎo)致造成短路，而且現(xiàn)在半導(dǎo)體制冷片的工藝也不成熟，不夠?qū)嵱谩?/p>

化學(xué)制冷

所謂化學(xué)制冷，就是使用一些超低溫化學(xué)物質(zhì)，利用它們在融化的時候吸收大量的熱量來降低溫度。這方面以使用干冰和液氮較為常見。比如使用干冰可以將溫度降低到零下20℃以下，還有一些更“變態(tài)”的玩家利用液氮將CPU溫度降到零下100℃以下(理論上)，當(dāng)然由于價格昂貴和持續(xù)時間太短，這個方法多見于實(shí)驗(yàn)室或極端的超頻愛好者。

材質(zhì)的選擇

熱傳導(dǎo)系數(shù) (單位: W/mK)

銀 429

銅 401

金 317

鋁 237

鐵 80

鉛 34.8
　
1070 型鋁合金 226

1050型鋁合金 209

6063 型鋁合金 201

6061型鋁合金 155

一般說來，普通風(fēng)冷散熱器自然要選擇金屬作為散熱器的材料。對所選用的材料，希望其同時具有高比熱和高熱傳導(dǎo)系數(shù)，從上可以看出，銀和銅是最好的導(dǎo)熱材料，其次是金和鋁。但是金、銀太過昂貴，所以，目前散熱片主要由鋁和銅制成。相比較而言，銅和鋁合金二者同時各有其優(yōu)缺點(diǎn)：銅的導(dǎo)熱性好，但價格較貴，加工難度較高，重量過大，且銅制散熱器熱容量較小，而且容易氧化。另一方面純鋁太軟，不能直接使用，都是使用的鋁合金才能提供足夠的硬度，鋁合金的優(yōu)點(diǎn)是價格低廉，重量輕，但導(dǎo)熱性比銅就要差很多。所以在散熱器的發(fā)展史上也出現(xiàn)了以下幾種材質(zhì)的產(chǎn)品：

純鋁散熱器

純鋁散熱器是早期最為常見的散熱器，其制造工藝簡單，成本低，到目前為止，純鋁散熱器仍然占據(jù)著相當(dāng)一部分市場。為增加其鰭片的散熱面積，純鋁散熱器最常用的加工手段是鋁擠壓技術(shù)，而評價一款純鋁散熱器的主要指標(biāo)是散熱器底座的厚度和Pin-Fin 比。Pin是指散熱片的鰭片的高度，F(xiàn)in 是指相鄰的兩枚鰭片之間的距離。Pin-Fin 比是用Pin 的高度(不含底座厚度)除以Fin，Pin-Fin 比越大意味著散熱器的有效散熱面積越大，代表鋁擠壓技術(shù)越先進(jìn)。

純銅散熱器

銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)是鋁的1.69 倍，所以在其他條件相同的前提下，純銅散熱器能夠更快地將熱量從熱源中帶走。不過銅的質(zhì)地是個問題，很多標(biāo)榜“純銅散熱器”其實(shí)并非是真正的100%的銅。在銅的列表中，含銅量超過99%的被稱為無酸素銅，下一個檔次的銅為含銅量為85%以下的丹銅。目前市場上大多數(shù)的純銅散熱器的含銅量都在介于兩者之間。而一些劣質(zhì)純銅散熱器的含銅量甚至連85%都不到，雖然成本很低，但其熱傳導(dǎo)能力大大降低，影響了散熱性。此外，銅也有明顯的缺點(diǎn)，成本高，加工難，散熱器質(zhì)量太大都阻礙了全銅散熱片的應(yīng)用。紅銅的硬度不如鋁合金AL6063，某些機(jī)械加工(如剖溝等)性能不如鋁;銅的熔點(diǎn)比鋁高很多，不利于擠壓成形( Extrusion )等等問題。

銅鋁結(jié)合技術(shù)

在考慮了銅和鋁這兩種材質(zhì)各自的缺點(diǎn)后，目前市場部分高端散熱器往往采用銅鋁結(jié)合制造工藝，這些散熱片通常都采用銅金屬底座，而散熱鰭片則采用鋁合金，當(dāng)然，除了銅底，也有散熱片使用銅柱等方法，也是相同的原理。憑借較高的導(dǎo)熱系數(shù)，銅制底面可以快速吸收CPU釋放的熱量;鋁制鰭片可以借助復(fù)雜的工藝手段制成最有利于散熱的形狀，并提供較大的儲熱空間并快速釋放，這在各方面找到了的一個均衡點(diǎn)。

要提升LED發(fā)光效率與使用壽命，解決LED產(chǎn)品散熱問題即為現(xiàn)階段最重要的課題之 一，LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展亦是以高功率、高亮度、小尺寸LED產(chǎn)品為其發(fā)展重點(diǎn)，因此，提供具 有其高散熱性，精密尺寸的散熱基板，也成為未來在LED散熱基板發(fā)展的趨勢?，F(xiàn)階段以氮 化鋁基板取代氧化鋁基板，或是以共晶或覆晶制程取代打金線的晶粒/基板結(jié)合方式來達(dá)到 提升LED發(fā)光效率為開發(fā)主流。在此發(fā)展趨勢下，對散熱基板本身的線路對位精確度要求極 為嚴(yán)苛，且需具有高散熱性、小尺寸、金屬線路附著性佳等特色，因此，利用黃光微影制 作薄膜陶瓷散熱基板，將成為促進(jìn)LED不斷往高功率提升的重要觸媒之一。