設計了一種新型的帶有百葉窗的平板式大功率發(fā)光二極管(LED)照明裝置。該裝置采用高導熱系數(shù)的鋁基板作為多顆大功率LED的散熱電路板，用0.4mm的鋁片作為散熱翅片，結(jié)合溝槽式微熱管構(gòu)成集發(fā)光與散熱一體化的輸入功率為21W的照明模組，該模組可根據(jù)照明亮度要求重構(gòu)成不同功率的照明裝置。
1引言
與在道路照明中使用量最大的高壓鈉燈相比，大功率LED作為照明裝置具有色溫可選、發(fā)光效率高、無需高壓、超高亮度、顯色性高及長壽命等優(yōu)勢。散熱問題是限制大功率LED照明應用的最大障礙。經(jīng)過研究了硅基多芯片的封裝新方法，找到一種可以有效降低熱阻的用于LED封裝的金屬粘結(jié)方法。即用豎直的碳納米管作為粘結(jié)材料直接粘結(jié)在鋁基板上，生長的碳納米管作為熱邊界材料，得到了較好的散熱效果。并開發(fā)了一種新型熱沉來實現(xiàn)大功率LED的冷卻。還提出了一種LED的熱管散熱模型，結(jié)點溫度和熱阻都得到了較大的降低。研究了將LED粘結(jié)在微熱管上的散熱性能，微熱管能使芯片溫度降低更多。
利用動態(tài)電學測試方法測量大功率LED熱阻和結(jié)溫的原理、實驗裝置、測量步驟和影響測試結(jié)果的因素。針對利用有限元模擬分析了工作過程中的溫度和熱應力分布，并測試了實際器件表面特征點的溫度變化。設計了大功率LED陣列封裝的微通道冷卻結(jié)構(gòu)，探討了各參數(shù)對LED多芯片散熱效果的影響。研究了微噴射流的大功率LED主動散熱方案，實現(xiàn)大功率LED芯片組的高效散熱。采用有限體積數(shù)值模擬、瞬態(tài)熱阻測試方法以及熱沉溫度-峰值波長變化的關系，對3種散熱基板上大功率lGaInP紅光LED進行了熱特性分析。提出了一種新型結(jié)構(gòu)的回路熱管，并建立了其性能測試實驗裝置。
目前，國內(nèi)外的研究多集中在LED熱阻、結(jié)溫測量及利用封裝方法降低熱阻等方面。本文針對大功率LED的照明應用需求，提出了一種集成微熱管的新型百葉窗式的大功率LED照明裝置模塊化結(jié)構(gòu)設計方案，并對其散熱性能進行模擬分析和實驗研究。
2大功率LED照明裝置模塊化結(jié)構(gòu)
圖1(a)為大功率LED照明裝置結(jié)構(gòu)及散熱風道示意圖。照明裝置采用模塊化的設計方法，每排LED都是1個照明模組，可以單獨使用，總共由7個模組組成，如圖1(b)所示。照明裝置分前艙和后艙兩部分，前艙裝有LED及電源，設計成全密封結(jié)構(gòu)；后艙安裝散熱模塊，左右及下壁面開有散熱用百葉窗結(jié)構(gòu)。翅片自然對流散熱的風道經(jīng)過優(yōu)化設計，風可以從照明裝置翅片艙的任意一側(cè)流入，從另一側(cè)流出，同時翅片的上表層也可以和周圍的空氣進行對流散熱。LED照明裝置結(jié)構(gòu)的整體尺寸為328mm×480mm×84mm，模塊的基座尺寸為22mm×205mm，微熱管直徑為6mm，單片翅片的尺寸為35mm×66mm×0.4mm，翅片間距為3mm。
圖1LED照明裝置及模組示意圖。(a)LED照明裝置結(jié)構(gòu)及散熱風道；(b)照明與散熱一體化的模組結(jié)構(gòu)。
在每個照明模組中，LED陣列焊接在鋁基電路板上，鋁基電路板下面由擠壓鋁型材板作為支撐。微熱管一端與鋁型材板下表面半圓孔利用過渡配合方式進行固定；另外一端套裝上鋁翅片并焊接牢固，為了減小接觸熱阻，它們之間采用高導熱焊料焊接。鋁基電路板和擠壓鋁型材采用螺釘連接，中間涂有硅膠。
LED照明裝置通電運行后，LED產(chǎn)生的熱量通過微熱管的一端吸收，運輸?shù)匠崞?，熱量通過翅片的熱傳導和自然對流，最后被空氣帶走。微熱管具有很高的導熱率，能夠及時將LED產(chǎn)生的熱量導出，避免芯片結(jié)溫過度升高；采用厚度為0.4mm的薄鋁片來加強對流散熱，比一般的鋁基擠壓型材熱沉具有更大的散熱面積、更輕的質(zhì)量及更好的散熱風道。此照明裝置運用模塊化設計，具有可重構(gòu)特征。散熱系統(tǒng)采用自然對流散熱，不需要額外的驅(qū)動，因此結(jié)構(gòu)簡單、靈活且成本低廉。
3散熱量的理論計算
單個LED照明模組中微熱管散熱器的最大傳熱能力可按描述對流傳熱的牛頓冷卻公式寫為
式中Q為熱管散熱器的總傳熱量，單位為W；α為散熱器的總傳熱系數(shù)，單位為W/(m2；Δt為熱管基板表面溫度tb與散熱片周圍冷卻氣流溫度tf的差，即Δt=tb-tf，單位為℃。從(1)式可以推導得到
式中R為當基準面積A為單位面積時，微熱管散熱器的總熱阻，按傳熱學理論，它也是各串聯(lián)傳熱環(huán)節(jié)中的熱阻之和，即
式中Rb為從熱管基板表面?zhèn)鬟f到貼附其上的熱管蒸發(fā)段內(nèi)壁的導熱熱阻；Rrg為蒸發(fā)段的傳熱熱阻；Rbh為熱管內(nèi)飽和蒸氣傳遞熱阻，由于熱管熱阻極小，在此計算中予以忽略；Rin為冷凝段蒸氣與內(nèi)壁的傳熱系數(shù)；Rsr為冷凝段內(nèi)壁到散熱片基板之間的導熱熱阻；Rf為從冷凝段翅片到冷卻氣體之間的傳熱熱阻。得到總傳熱系數(shù)
代入數(shù)據(jù)，得α=6.48W/(m2·K)，則微熱管散熱器的最大散熱量為47W。
單個LED照明模組的輸入功率為21W，假設發(fā)光效率為15％，則單個模組的發(fā)熱量為18W。由此可見，單個照明模組中微熱管散熱器的最大理論傳熱量遠大于LED的發(fā)熱量，所以該種散熱方式能夠滿足LED的散熱要求。
4LED照明裝置的數(shù)值模擬分析
根據(jù)一般應用要求，假設環(huán)境溫度為30℃，翅片與空氣的對流散熱系數(shù)為10W/(m6063型鋁合金，導熱系數(shù)為201W/(m2·K)。圖2為D翅片的溫度、溫度梯度和熱流密度分布圖?？梢姕囟忍荻群蜔崃髅芏鹊姆植紶顟B(tài)基本一致，溫度梯度越大熱流密度越大，這與理論分析相符合。在實際應用中，因翅片間的熱場會產(chǎn)生干擾，使熱量不能及時導出，導致其中某些翅片的實際溫度值要高于理論值。
圖2單片翅片模擬結(jié)果圖。(a)翅片溫度分布圖；(b)翅片溫度梯度分布；(c)翅片熱流密度分布。
圖3為翅片間距分別為2mm和3mm的單排翅片溫度分布情況。翅片間距為2mm時，各翅片溫度分布不均勻，相鄰翅片存在明顯溫差，如圖3(a)所示。翅片間距為3mm時，各翅片溫度分布基本一致，翅片與微熱管接觸的部位溫度較高，穿孔處可達到60℃。可見，翅片間距對LED散熱有直接的影響。相同條件下，翅片溫差越小越好，因為對流傳熱是由空氣與翅片的溫度梯度驅(qū)動的。因此，本照明裝置采用的翅片間距為3mm。
圖3不同間距的翅片的溫度分布圖。
圖4為單排LED模組的溫度分布情況。芯片結(jié)溫TJ=TC+PD·RJC,其中TC為散熱襯底的溫度，PD為LED的功耗，RJC為LED芯片結(jié)點到散熱襯底的熱阻。圖4(a)為使用等直徑銅管散熱器的情況，芯片襯底的最高溫度可達92.8℃，TJ=103.6℃。LED芯片在較高溫度下工作，會影響芯片的使用壽命和出光效率。
圖4(b)為使用微熱管散熱器的情況，TC最高為65℃，TJ為73℃，LED芯片的溫度大大降低。
圖4LED模組溫度分布圖。(a)銅管散熱器；(b)微熱管散熱器。
圖5LED照明裝置模型溫度分布(a)和熱流密度分布(b)。
圖5(a)為整個LED照明裝置的溫度分布圖。翅片溫度分布與單片的近似，每排翅片以及同排不同位置的翅片溫度分布都基本相同。LED芯片襯底的最高溫度為67℃，換算后結(jié)溫為75℃，產(chǎn)生在3和4排鋁基電路板中間位置的LED芯片上，與實驗結(jié)果吻合。模組間距、翅片間距以及翅片本身的參數(shù)都有待進一步優(yōu)化，可使此模型獲得更好的散熱效果。模擬結(jié)果的溫度分布和實驗測得的溫度分布情況是吻合的，因此可以用模擬結(jié)果來一步核算每個散熱模塊的散熱量。整個LED照明裝置模型的熱流密度分布如圖5(b)所示，其平均熱流密度為100W/m2，模組的傳熱量為平均熱流密度與散熱面積之積。因此，可計算單個模組的最大傳熱量為38W，略小于單個模組的最大散熱理論計算值，這主要是因為在模擬分析時考慮了熱場的耦合效應，使得對流散熱作用減弱，傳熱量減小。
5實驗及結(jié)果分析
該照明裝置采用了兩種實驗方法進行對比測試分析。一種是采用非接觸式紅外溫度測試儀測量LED芯片和翅片表面溫度，其結(jié)果可以直觀地反映結(jié)點溫度的大小，如圖6所示。另一種是采用K型熱電偶對關鍵特征點進行接觸式測量，如圖7所示。
圖6紅外溫度測試裝置。
圖7熱電偶測溫裝置。
在紅外測溫方法中，LED表面的溫度由紅外測溫儀直接測得，實驗誤差主要源于紅外測溫儀自身的誤差(約為0.1℃)。在熱電偶測溫方法中，各個點的溫度值由熱電偶直接測得，誤差主要由熱電偶的測量誤差和多次測量的讀數(shù)誤差組成。實驗用熱電偶為標準NiCr-NiSi的K型熱電偶，在溫度范圍為－30～150℃時，絕對測量誤差為0.2℃，相對測量誤差為0.75%；讀數(shù)的絕對誤差為1℃，相對誤差為1%。所以總的絕對誤差為1.2℃，相對誤差為1.75%。
圖8為不同導熱鋁基電路板熱平衡時的溫度分布圖和曲線。紅外測溫時，環(huán)境溫度為30℃，且系統(tǒng)已運行60min達到熱平衡。芯片襯底最高溫度為67.7℃，經(jīng)換算得LED芯片最高結(jié)溫為75.7℃，芯片襯底最低溫度為60℃(兩基板中間空隙空氣溫度約為40℃)?；宓谋砻鏈囟燃s為67℃，兩側(cè)的溫度稍低于中間溫度。2~5排溫度分布相近，1，6排溫度較低。2~5排基板周圍熱場干擾大，空氣流動較弱，熱量不易被帶走，從而使其溫度高于1，6排。實驗結(jié)果表明，采用微熱管散熱方案，大功率LED芯片可以長時間工作，這表明該散熱方案具有實用價值。
圖8不同導熱基板溫度分布圖和曲線。
圖9不同排翅片表面的穩(wěn)定溫度分布圖和曲線。
圖9為LED翅片表面熱平衡時的溫度分布圖和曲線，順序與基板順序相同，翅片表面最高溫度為60.3℃，最低溫度為52.8℃(兩排翅片中間空隙空氣溫度約為46.9℃)。翅片表面溫度中間高，兩側(cè)低，中間排翅片溫度較高。此排翅片溫度升高主要是對流散熱效果不佳、熱量不能及時對流到空氣中所致。為使中間翅片獲得更好的散熱效果，可在適當?shù)奈恢眉语L扇強排。
實驗過程中，LED電源有一定的發(fā)熱量，會使芯片組周圍空氣溫度升高，在一定程度上增加對流散熱的困難性。因此，在實際應用中，可以考慮將電源單獨放置。紅外溫度測試儀只能拍攝到某一平面的溫度分布情況，溫度會有些誤差，但是可以用其代表LED系統(tǒng)整體溫度分布狀況，因為紅外測溫與熱電偶直接測量結(jié)果一致。
圖10為7個模組上相同位置點的熱電偶測溫得到的溫度分布曲線。圖中可以看出，各點在7個模組上的溫度基本成正態(tài)分布，最高溫度為61.2℃，最低溫度為53.6℃，與紅外溫度測試儀測得的溫度分布相吻合。在單個模組的不同點上，點1和點2的溫度基本相等，點3的溫度最低，因為點3處在模組翅片的最外層。圖11為A，B，C，D4片翅片上不同點的溫度分布。由理論知識可知，單片翅片上的溫度成對稱分布，所以在其1/4面積上取了5個點，點的位置分布如圖12所示?？梢姵崞谡w翅片中的位置對翅片溫度有很大的影響，而各片翅片的溫度分布情況是一致的，離熱管中心越遠其溫度越低，因為在熱傳導過程中溫度會降低。
圖107個模組在相同位置點上的溫度分布。
圖11A,B,C,D4片翅片上不同點溫度分布。
圖13為各排模組上LED燈底座的溫度分布曲線，其分布狀況可代替LED燈的溫度分布情況。由圖可知，各排LED的溫度分布趨勢一致，隨著微熱管傳熱方向呈遞減趨勢，但溫度最高值出現(xiàn)在中間位置。微熱管的等溫性雖好，但依然存在很小的傳遞溫差，LED的溫度值也受其位置的影響，位置不僅影響其所對應翅片的散熱情況，而且也影響其對應的Al基板的對流散熱情況。
圖12翅片上點的位置分布。
圖13各排LED底座溫度分布。
根據(jù)Edison公司給出的大功率白光LED的結(jié)溫在亮度70%時與壽命的關系可知，當芯片結(jié)點溫度為75℃時，其壽命大約為40000h，而市場上使用的高壓鈉燈有效使用壽命大約為10000h，所以此照明裝置結(jié)構(gòu)具有很高的市場應用價值。
6結(jié)論
提出了一種新型的帶有百葉窗的平板式大功率LED照明裝置。實驗和數(shù)值模擬結(jié)果表明，整個照明裝置中不同翅片間溫度分布具有耦合效應，翅片間距與散熱模組間距都影響散熱翅片溫度分布，因此，處于照明裝置中間的模組的溫度分布會高于兩邊的模組溫度分布。該照明裝置能在自然對流的條件下有效散熱，可使LED芯片組結(jié)溫保持在75.7℃以下；而不使用微熱管散熱時LED芯片組結(jié)溫一般在13℃以上，因此，該照明裝置可用作戶外路燈照明來代替目前的高壓鈉燈，具有明顯的節(jié)能效果和重大的實用價值。該照明裝置運用模塊化設計，采用微熱管導熱，使得照明裝置結(jié)構(gòu)簡單、具有可重構(gòu)特征，且具有良好的散熱性能。相關翅片的參數(shù)設計還可以進一步優(yōu)化以提高系統(tǒng)的散熱性能，也可通過增加風扇，研究該裝置在強迫對流條件下的性能。
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