相對傳統(tǒng)光源，LED具有的技術(shù)優(yōu)點還包括長壽命、響應(yīng)快、潛在高光效、體積小以及窄光譜等優(yōu)點。但究其本質(zhì)，在這眾多的優(yōu)點中，潛在的高光效、體積小和窄光譜這三點最為關(guān)鍵，這使得LED有別于傳統(tǒng)光源，并拓寬了它在多種領(lǐng)域的應(yīng)用。但是也正是由于其體積小、高光效的特點，使得LED仍存在應(yīng)用的障礙散熱問題。

依照目前的半導(dǎo)體制造技術(shù)，大功率LED只能將約15%的輸入功率轉(zhuǎn)化為光能，而其余85%轉(zhuǎn)化成了熱能。而散熱不良將導(dǎo)致芯片加速老化，減少LED壽命。如果沒有良好的散熱方法，芯片的熱量散不出去，將使芯片失效。所以，LED芯片散熱問題成了LED技術(shù)應(yīng)用的障礙。

01散熱成LED開發(fā)必須解決難題

如果LED芯片的熱量不能散出去，會加速芯片的老化，還可能導(dǎo)致焊錫的融化，使芯片失效。LED發(fā)光是靠電子在能帶間躍遷產(chǎn)生的，其光譜中不含紅外光，LED的熱量不能靠輻射散出，因此LED被稱為冷光源。

LED一般采用環(huán)氧樹脂封裝，環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱能力非常差，熱量只能靠芯片下面的引腳散出。傳統(tǒng)亮度的LED因為發(fā)光功率小，熱量也不大，故沒有散熱問題。而功率型LED用在照明上需要將多顆LED組成光源模塊以達到所需的光通量。

對于大功率器件來說，其輸入功率≥1W,而芯片尺寸則為lmm×lmm~2.5mm×2.5mm之間，芯片的功率密度很大，因此必須在較小的LED封裝中處理極高的熱量。

目前LED的取光效率僅能達到10%~20%,還有80%~90%的能量轉(zhuǎn)換成了熱能。如果LED芯片的熱量不能散出去，會加速芯片的老化，還可能導(dǎo)致焊錫的融化，使芯片失效，具體表現(xiàn)為：

一是發(fā)光強度降低。隨著芯片結(jié)溫的升高，芯片的發(fā)光效率也會隨之降低，芯片結(jié)溫越高，發(fā)光強度下降越快。

二是發(fā)光主波長偏移，致使光轉(zhuǎn)換效率下降。

三是加速LED的光衰，嚴重降低LED的壽命。

所以，功率型LED芯片散熱問題成為當前LED技術(shù)在照明工程中應(yīng)用的障礙。為保證功率型LED的正常工作，需通過有效的散熱設(shè)計，保證LED的工作結(jié)溫在允許溫度范圍內(nèi)。散熱能力越強，結(jié)溫越低。熱能需要通過熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射才能散發(fā)。

正因為LED光源自身沒有紅外線、紫外線，因此LED光源自身沒有輻射散熱功能，LED照明燈具的散熱途徑只能通過與LED燈珠板密切組合的散熱器來導(dǎo)出熱量。只有盡快導(dǎo)出熱量才能有效降低LED燈具內(nèi)的腔體溫度，才能保護電源不在持久的高溫環(huán)境下工作，才能避免LED光源因長期高溫工作而發(fā)生早衰。

LED照明系統(tǒng)的散熱問題主要有兩個方面：一是LED功率芯片內(nèi)的散熱（導(dǎo)熱），涉及到器件的封裝技術(shù)；二是LED功率芯片的外部散熱，主要涉及基板導(dǎo)熱、翅片散熱器及其與環(huán)境空氣的對流換熱。

目前，在解決功率型LED照明系統(tǒng)的散熱問題上主要采用的方法有：調(diào)整LED的間距、自然對流散熱、加裝風(fēng)扇或是水冷強制散熱、熱管和回路熱管散熱等。

在現(xiàn)今LED集成高密度，產(chǎn)熱量高熱流量的發(fā)展趨勢下，借助熱管的高效輸熱來實現(xiàn)快速散熱就變得非常必要。

另外，現(xiàn)有散熱裝置強調(diào)熱傳導(dǎo)環(huán)節(jié)、忽視對流散熱環(huán)節(jié)，盡管眾多的廠家考慮了各種各樣的措施來改善熱傳導(dǎo)環(huán)節(jié)：如采用熱管、加導(dǎo)熱硅脂等，卻沒有意識到熱量最終還是要依靠燈具的外表面帶走，忽視了傳熱的均衡性，如果翅片的溫度分布嚴重不均勻，將會導(dǎo)致其中部分翅片（溫度較低的部分）效率大大降低。

現(xiàn)有針對LED照明的散熱裝置仍局限于功率較低LED照明元件，并且效果不明顯，成本高，不易應(yīng)用于實際生產(chǎn)。

02內(nèi)外部散熱相互作用決定LED散熱性能

用于加快芯片熱量散發(fā)的方法包括采用倒裝焊、使用導(dǎo)熱性能良好的粘接材料、使用散熱器等。

LED散熱技術(shù)主要包括兩個方面：一是LED功率芯片的內(nèi)部傳熱，涉及器件的封裝技術(shù)，因為封裝必然產(chǎn)生內(nèi)部熱阻，這個熱阻的大小決定了結(jié)溫與金屬底座(支架)的溫差(在給定功率條件下)；二是LED功率芯片的外部散熱，也就是LED產(chǎn)生的熱最終必然要散發(fā)到空氣中去，需要基板導(dǎo)熱、翅片散熱器及其與環(huán)境空氣的對流換熱。外部散熱與內(nèi)部散熱相互作用決定了LED照明器具的散熱性能。

對于LED功率芯片的內(nèi)部傳熱，增強功率型LED散熱能力的核心目標是降低LED結(jié)溫，一般要控制在85℃以下。LED功率芯片的內(nèi)部傳熱主要是從LED內(nèi)部熱阻計算入手來進一步探討和改進LED封裝技術(shù)。LED作為半導(dǎo)體器件，主要以結(jié)溫和內(nèi)部熱阻來體現(xiàn)它的熱學(xué)特性。

在LED芯片的制作與封裝方面，用于加快芯片熱量散發(fā)的方法包括采用倒裝焊、使用導(dǎo)熱性能良好的粘接材料、使用散熱器等。倒裝焊芯片(flip-chip)結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)很大提高了功率型LED的散熱能力和出光效率。

無論采用哪種焊接方式，芯片都需通過粘接材料粘接到金屬熱沉上，所以粘接材料不僅要熱導(dǎo)率更高，更要厚度小才能顯著降低倒裝焊LED的熱阻，提高器件的散熱能力。通常選用導(dǎo)熱膠、導(dǎo)電型銀漿和錫漿這三種材料進行粘貼。

導(dǎo)熱膠導(dǎo)熱特性較差，導(dǎo)電型銀漿既有良好的導(dǎo)熱特性，又有較好的粘貼強度。但由于銀漿在提升高度的同時會發(fā)熱，且含鉛等有毒金屬，因此并不是粘貼材料的最佳選擇。與前兩者相比，導(dǎo)電型錫漿的導(dǎo)熱特性是三種材料中最優(yōu)的，導(dǎo)電性能也非常優(yōu)越。近年來封裝結(jié)構(gòu)良好的功率型LED元件，其總熱阻已經(jīng)降為 6℃~10℃/W。

對于LED功率芯片的外部散熱，目前常用電子器件的散熱技術(shù)按從熱沉帶走熱量的方式分為自然風(fēng)冷、強制風(fēng)冷、強制液冷。由于LED散熱的特殊性(高價值、維護成本高、工作時間長、防護等級高等)，目前LED通過熱沉散熱的主要方式最可靠的是自然風(fēng)冷。

但由于自然風(fēng)冷的換熱系數(shù)較低，為了滿足大功率LED的散熱，通常只能通過加大與空氣換熱的熱沉表面積(翅片面積)來實現(xiàn)換熱量的提高。

另外由于電子器件的溫度不高，無論使用何種表面材料(輻射率最高為接近于1)，輻射散熱在相對好的自然散熱模組中最大不會超過總換熱量的10%左右，且技術(shù)相對單一且成熟，在此不討論。

從理論上講，如果使用每顆功率較低的分散LED且每顆LED熱沉的散熱面積足夠大，則LED照明系統(tǒng)的散熱就不成為技術(shù)問題。但由此會產(chǎn)生LED的重量、配光、造型等各方面的實際問題，因此，對于超大功率LED(尤其是聚光燈、工礦燈及大功率路燈)，散熱就成為了LED照明系統(tǒng)的主要技術(shù)問題。

當不考慮LED內(nèi)部熱阻時，一個有效的LED外部散熱器(或稱散熱模組)需要解決三個層次的傳熱問題：一是要將大功率集中發(fā)熱體(高熱流密度)的熱量通過基座低熱阻有效吸收與擴散形成相對低熱流密度的熱量；二是將相對低熱流密度的熱量能盡可能有效地傳輸?shù)缴崮＝M的本體，使得本體表面溫度盡可能均勻一致(使得翅片效率接近于1)；三是散熱模組的自然空氣對流散熱要優(yōu)化。

針對第一個傳熱問題，傳統(tǒng)上低熱阻有效吸收與擴散高熱流密度發(fā)熱體熱量的最簡單方法就是利用高導(dǎo)熱材料如銅、鋁材料做基材(支架或熱沉基座)，但當熱流密度較高時，發(fā)熱體中心熱量還是很難有效擴散開來，造成中心部溫度過高。對于超大功率的集成LED光源，傳統(tǒng)的金屬導(dǎo)熱無法解決其中心溫度過高的難題。

針對第二個傳熱問題，目前最通常的辦法是采用鋁翅片來實現(xiàn)模組本體內(nèi)部的導(dǎo)熱。很顯然，為了達到翅片有效導(dǎo)熱(高翅片效率)，鋁翅片的厚度要求厚，使得高度受到很大的限制(過高翅片效率降低)，造成散熱模組的重量大，單位重量的散熱量小，最關(guān)鍵的是無法解決集成光源中心部位溫度過高的難題。因此，近年來發(fā)展出了VC(蒸汽腔，又名均溫板，最初主要用于CPU的散熱)、微槽群蒸發(fā)器、熱柱等來替代支架、熱沉本體導(dǎo)熱的相變技術(shù)及其功能性傳熱器件。針對第三個問題，目前對于全翅片式散熱器(主要用于分散光源)，可采用小模塊組合式解決整體式模組中心部位散熱不利的問題。而用于超大功率或者集中光源的散熱模組，目前采用VC、微槽群蒸發(fā)器、熱柱等散熱模組都沒有或者很難實現(xiàn)理想的空氣對流模式。

03微熱管可實現(xiàn)傳熱強化

微熱管，是一種具有極高導(dǎo)熱性能的傳熱元件，它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，它利用毛吸作用等流體原理，起到類似冰箱壓縮機制冷的效果。具有很高的導(dǎo)熱性、優(yōu)良的等溫性、熱流密度可變性、熱流方向酌可逆性、可遠距離傳熱、恒溫特性(可控?zé)峁?、熱二極管與熱開關(guān)性能等一系列優(yōu)點，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。

由于其特殊的傳熱特性，因而可控制管壁溫度，避免露點腐蝕。微細熱管與常規(guī)熱管最大區(qū)別在于微熱管內(nèi)單位蒸汽流量的壁面比表面積提高，因而可實現(xiàn)傳熱的強化。

出于為電子器件冷卻的目的，Cotter在1984年提出“微型熱管”的概念以來，微型熱管的結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了重力型、具有毛細芯的單根熱管，到具有一簇平行獨立微槽道的平板熱管，進而發(fā)展到內(nèi)部槽道簇之間通過蒸汽空間相互連通的形式。近十幾年來，用于冷卻電子元器件的微熱管技術(shù)得到了很大的發(fā)展，國內(nèi)外有許多學(xué)者進行了研究。

從傳熱觀點看，微細熱管與常規(guī)熱管最大的區(qū)別在于微熱管內(nèi)單位蒸汽流量的壁面比表面積大大提高，因而可以實現(xiàn)傳熱的強化。平板微熱管陣列(micro- heatpipearray)，即將多個同時形成的、彼此完全獨立的微細熱管組合在一起(而不僅僅是微通道陣列熱管)，各個微細熱管間不連通，且每個微熱管內(nèi)表面可帶有微槽群等強化換熱的微結(jié)構(gòu)。

這樣的平板微熱管陣列與現(xiàn)有的平板熱管和單根微熱管相比，特點在于：第一，多根微熱管并聯(lián)解決了微熱管由于微尺度造成的熱輸運能力小的問題；第二，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)使得相變換熱面積大大增加。因為微熱管之間的鋁質(zhì)壁面具有很好的導(dǎo)熱性能，能夠?qū)⒓訜崦娴牟糠譄崃總鲗?dǎo)到與其相對的微槽面上，在整個微熱管的周面都有相變發(fā)生。無論蒸發(fā)段還是冷凝段，單位蒸汽流通量的散熱能力得到極大強化。第三，微細熱管之間的間壁在結(jié)構(gòu)上起到了“加強筋”的作用，大大增強了平板微熱管陣列的承壓能力。第四，平板微熱管陣列的外形扁平，能夠方便地與換熱面貼合，克服了常規(guī)圓形截面的重力熱管需要增加特殊結(jié)構(gòu)才能與換熱面緊密貼合的缺點，減小了界面接觸熱阻。

平板微熱管陣列材料為鋁合金，寬度、長度、厚度可任意調(diào)整，內(nèi)部有一定數(shù)量和尺寸相同的、并排排列彼此獨立的微細熱管，每個微熱管內(nèi)有微槽群結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得平板微熱管陣列具有很高的可靠性，即使出現(xiàn)其中某個微熱管損壞的情況，其他獨立的微熱管仍然可以正常工作，因此平板微熱管陣列的可靠性遠遠高于連通結(jié)構(gòu)熱管的可靠性。

平板微熱管陣列是種具有超導(dǎo)熱性能的導(dǎo)熱元件，其表觀熱傳導(dǎo)率是同樣金屬材質(zhì)熱傳導(dǎo)率的5000倍以上，是具有同樣斷面積的傳統(tǒng)圓形熱管的換熱能力的10 倍。平板內(nèi)的每根微熱管獨立工作，且承壓能力是傳統(tǒng)圓形熱管的10倍以上，很難發(fā)生機械性破壞每米溫差小于1攝氏度，幾乎可以被認為是一個等溫體;微熱管陣列的放熱面積大，鋁翅片、基板及熱管的溫度基本一致。

利用平板微熱管陣列技術(shù)，每平米為200～400根，獨立運行的微熱管是高傳熱性、高可靠性微熱管陣列應(yīng)具有承壓能力強、能夠與換熱表面很好貼合、熱輸運能力強、性價比高等特點。能夠解決目前電子芯片散熱、LED燈散熱等領(lǐng)域內(nèi)高熱流密度的散熱問題。

04微熱管陣列具有高效吸熱性

微熱管陣列因為同時具有高效吸熱、傳輸及高效放熱特性，因此可以基本解決各種LED的散熱難題。熱管的性能表觀評價方法主要是測量熱管沿軸向的溫度均勻性。熱管的響應(yīng)時間則取決于其材料(包括金屬材料及工質(zhì))的熱容。為了評價制作的平板微熱管陣列，用50cm長的熱管進行了均溫性及熱響應(yīng)時間的測試。實驗時在熱管垂直方向布置4根T型熱電偶，分別位于熱管的蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段。

實驗數(shù)據(jù)表明，平板微熱管陣列具有很好的均溫性。從蒸發(fā)段到冷凝段的溫度差在1℃以內(nèi)，熱響應(yīng)時間在80s以內(nèi)。通過對基于平板微熱管陣列的功率型LED照明裝置的幾種不同組合形式進行試驗測試，分析了平板微熱管陣列與散熱器的接觸面積、微熱管陣列熱運輸長度、接觸熱阻對基于平板微熱管陣列的功率型LED照明散熱裝置的影響，包括管板接觸面積對裝置的傳熱影響、接觸熱阻對平板微熱管陣列LED傳熱裝置的傳熱影響和U 形平板微熱管陣列的LED照明散熱裝置的性能。

微熱管可以隨意組合成一定寬度的平板微熱管陣列，且微熱管可以任意彎折，且傳熱效果在較低的熱流密度下無明顯變化。U形微熱管陣列是一種由實驗證明傳熱性能良好的微熱管陣列的彎折形式。微熱管陣列因為同時具有高效吸熱、傳輸及高效放熱特性，且可柔性變形與翅片結(jié)合，因此可以基本解決各種LED的散熱難題。其特點如下：

一是微熱管陣列的蒸發(fā)換熱部的最大換熱能力可達到 200W/cm;

二是高熱傳導(dǎo)率：是實心鋁材的 5000倍以上;

三是高可靠性：由于平板內(nèi)的每根微熱管獨立工作，即使有一兩根微熱管破壞，其他微熱管照樣在發(fā)揮作用而不至于影響使用。況且，其承壓能力是傳統(tǒng)圓形熱管的10倍以上，根本就很難發(fā)生機械性破壞;

四是高等溫性：每米溫差小于 1℃，幾乎可以被認為是一個等溫體;

五是大面積接觸：由于微熱管陣列的放熱面積大，可實現(xiàn)鋁翅片、基板及熱管的溫度基本一致，幾乎完全消除了“翅片效應(yīng)”。

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