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合肥英特大功率LED隧道灯散热问题详解

文章来源:合肥英特光电更新时间:2014-8-13 9:31:33

LED光源不同于普通光源,在LED随着温度上升,光输出和光源寿命都明显减少,并且当LED的温度达到一个临界值,LED会无法修复的永久性损坏。因此LED灯具都需要考虑到散热问题,LED隧道灯的功率通常在100W以上,对散热的需求更高。除了保证LED隧道灯工作环境温度在合理范围,自身的散热处理也需做到极致。

 
  散热的基本知识:
 
  热从严格意义上来说只是一种传递能量的方式。从微观来看,区域内分子受到外界能量冲击后,由能量高的区域分子传递至能量低的区域分子,因此在物理界普遍认为能量的传递就是热。当然热最重要的过程或者形式就是热的传递了。
 
  热传递主要有以下三种方式:
 
  (1)传导
  物质本身或当物质与物质接触时,能量的传递就被称为热传导,这是最普遍的一种热传递方式,由能量较低的粒子和能量较高的粒子直接接触碰撞来传递能量。相对而言,热传导方式局限于固体和液体,因为气体的分子构成并不是很紧密,它们之间能量的传递被称为热扩散。
  热传导的基本公式为Q=K×A×AT/AL。其中Q代表为热量,也就是热传导历产生或传导的热量。K为材料的热传导系数,热传导系数类似比热容,但是又与比热容有一些差别,热传导系数与比热容成反比,热传导系数越高,其比热容的数值就越低。例如,纯铜的热传导系数为396. 4W/(m.K),而其比热容则为0.39J/(kg.K)。A代表传热的面积(或  是两物体的接触面积)。AT代表两端的温度差。AL则是两端的距离。因此,热量传递的大小同热传导系数、热传热面积成正比,同距离成反比。热传递系数越高、热传递面积越大、传输的距离越短,那么热传导的能量就越高,也就越容易带走热量。
 
  (2)对流
  对流指的是流体(气体或液体)与固体表面接触,造成流体从固体表面将热带走的热传递方式。
  具体应用到实际来看,热对流又有两种不同的情况,即自然对流和强制对流。自然对流指的是流体运动,成因是温度差,温度高的流体密度较低,因此质量轻,相对就会向上运动。相反,温度低的流体密度高,因此向下运动。这种热传递是因为流体受热之后,或者说存在温差之后,产生了热传递的动力。强制对流则是流体受外在的强制驱动(如风扇带动的空气流动),驱动力向什么地方,流体就向什么地方运动,因此这种热对流更有效率和可指向性。
  热对流的公式为Q=HXA×△T。公式中Q依旧代表热量,也就是热对流所带走的热量;H为热对流系数值;A则代表热对流的有效接触面积;△T代表固体表面与区域流体之间的温差。因此热对流传递中,热量传递的数量同热对流系数、有效接触面积和温差成正比;热对流系数越高、有效接触面积越大、温差越高,所能带走的热量也就越多。
 
  (3)辐射
  热辐射是一种可以在没有任何介质的情况下,不需要接触,就能够发生热交换的传递方式。也就是说,热辐射其实就是以波的形式达到热交换的目的。既然热辐射是通过波来进行传递的,那么势必就会有波长、频率。不通过介质传递就需要吸收率来决定传递的效率了,这里就存在一个热辐射系数,其值介于o~1之间的疲面特性,而刚体的热传导系数则是物体的材料特性。一般热辐射的热传导公    式为Q—EXS×FX A( Ta - Tb)。公式中Q代表热辐射所交换的能力;E是物体表面的热辐射系数。在实际中,当物质为金属且表面光洁的情况下,热辐射系数比较小,而对金属表面进行处理后(比如着色)其表面热辐射系数值就会提升。塑料或非金属类的热辐射系数值大部分都比较高。S是物体的表面积;F则是辐射热交换的角度和表面的函数关系。△(T。~Tb)则是表面a的温度同表面b之间的温差。因此热辐射系数、物体表面积的大小以及温度差之间都存在正比关系。
  一般来说,依照从散热器带走热量的方式,可以将散热分为主动式散热和被动式散热。所谓的被动式散热,是指通过散热片将热源产生的热量自然散发到空气中,其散热的效果与散热片大小成正比,但因为是自然散发热量,效果当然大打折扣,常常用在那些对空间没有要求的设备中,或者为发热量不大的部件散热。
 
  散热方式:
 
  主动式散热从散热方式上细分,可以分为风冷散热、液冷散热、热管散热、半导体制冷、化学制冷等。
  (1)风冷散热
  风冷散热是最常见的散热方式,也是较廉价的方式。风冷散热从实质上讲就是使用风扇带走散热器所吸收的热量,具有价格相对较低、安装方便等优点。但对环境依赖比较高,例如气湿升高以及超频时其散热性能就会大受影响,而对于在户外使用的LED隧道灯来说显然风冷散热是比较困难的。
  (2)液冷散热
  液冷散热是通过液体在泵的带动下强制循环带走散热器的热量,与风冷相比,具有安静、降温稳定、对环境依赖小等优点。液冷散热的价格相对较高,而且安装也相对麻烦。同时安装时尽量按照说明书指导的方法才能取得最佳的散热效果。
  出于成本及易用性的考虑,液冷散热通常采用水作为导热液体,因此液冷散热器也常常被称为水冷散热器。
  (3)热管散热
  热管属于一种传热元件,它充分利用了热传导原理与制冷介质的快速热传递性质,通过在全封闭真空管内的液体的蒸发与凝结来传递热量,具有极高的导热性、良好的等温性、冷热两侧的传热面积可任意改变、可远距离传热、可控制温度等一系列优点,并且由热管组成的换热器具有传热效率高、结构紧凑、流体阻损小等优点。其导热能力已远远超过任何已知金属的导热能力。
  (4)半导体制冷
  半导体制冷就是利用一种特制的半导体制冷片在通电时产生温差来制冷,只要高温端的热量能有效地散发掉,则低温端就不断地被冷却。在每个半导体颗粒上都产生温差,一个制冷片由几十个这样的颗粒串联而成,从而在制冷片的两个表面形成一个湿差。利用这种温差现象,配合风/水冷对高温端进行降温,能取得优秀的散热效果。
  (5)提高散热片的热传导能力
  无论采取哪种散热方式,都要首先解决如何高效地将热量从热源快速转移到散热本体上的问题。在这个过程中,辐射方式直接散发的热量是较少的,而起决定作用的则是第一步,提高热传导的效率,将热量带离热源。
  要提高热传导的效率,根据Q=K×A×AT/AL的公式,热传导能力与散热片的热传导系数、接触面积和温差成正比,与结合距离成反比。
  热传导系数的定义为:每单位长度、每开尔文,可以传送多少瓦的能量,单位为W/(m.K)。式中,W指热功3-1位;m代表长度单位米,而K为热力学温度单位。该数值越火说明导热性能越好。
  由此可以看出,银和铜是最好的导热材料,其次足金和铝。但是金、银太过昂贵,所以目前散热片主要由铝和铜制成。但由于铜密度大、工艺复杂、价格较贵,所以现在风扇多采用较轻的铝制成。当然,对风冷散热器来说,在考虑材质的时候除了热传导系数外,还必须  考虑散热器的热容量,综合这两项参数,铝的优越性就体现出来。
 
  散热器底面处理工艺:
 
  (1)拉丝工艺(研磨)
  拉丝工艺也是使用最多的底面处理工艺。拉丝时使用某种表面具有一定粗糙程度及硬度的工具,常见的如砂纸、锉等,对物体处理表面进行单向、反复或旋转的摩擦,借助工具粗糙表面摩擦时的剪削效果去除处理表面的凸出物。当然,磨平凸出物的同时也会在原本平整的表面上造成划痕。故而应采用由粗到细循序渐进的过程,逐渐减小处理表面的粗糙程度。拉丝工艺的特征:一条条平行的磨痕。
  (2)盘铣工艺(切削)
  盘铣工艺是指将散热器底面固定之后通过高速旋转的刀多具切割散热器表面,刀具始终在同一平面内旋转,因此切割出来的底面非常平整。与拉丝工艺相同,盘铣工艺使用的刀具越精细,切割出的底面的平整程度越高。盘铣工艺的制造成本较高,但相对拉丝只需要两三道工序,比较省时,并且效果也比较理想。盘铣工艺的特征:弧形的厮痕。
  (3)数控机床
  数控机床应用于散热片的底面平整处理,主要采用的工艺仍然是钎。但与传统盘铣不同,数控铣床的刀具可以通过单片机精确控制与散热片间的相对距离。刀典接触散热片底面后,两者水平方向相对运动,即可对传统盘铣中刀具空隙留下的未处理部分进行切削,而达到完整的平面效果,不需任何后续处理即可获得镜面一般的效果,平整度可小于0.001mm。
  (4)其他工艺
  除上述几种外,还有其他对散热器底处理的工艺如抛光。不过,相对而言,抛光处理更多的是出于散热器美观方面的考虑,对散热器底面平整度没有太大的改善,且处理成本较高。
  导热硅脂的性能参数
  由于导热硅脂属于一种化学物质,因此它也有反映自身工作特性的相关性能参数。只要了解这些参数的含义,就可以判断一款导热硅脂产品性能的高低。
  (1)工作温度
  工作温度是确保导热硅脂处于固态或液态的一个重要参数,温度过高,导热硅脂会因黏稠度降低而变成液态;温度过低,又会因黏稠度增加变成固态,这两种情况都不利于敢热。导热硅脂的工作温度一般在-50~180℃。
  (2)热传导系数
  与常用的散热器材质相比,导热硅脂的热传导系数要小很多,目前一般规范中对脂的热传导系数要求为1. 13W/(m'K)’与铜的40IW/(m.K)相比,差距不可同日而语但与空气相比仍高了许多。由此可见,散热器底面是否平滑非常重要,某些厂商宣称不够平整的散热器只需靠导热硅脂填充而不影响其散热能力的说法极其不可靠。
  (3)热阻系数
  热阻数表示物体对热量传导的1W效果。热阻的概念与电阻非常类似,单位也与之相仿(℃/w),即物体持续传热功率为1w时,导热路径两端的温差。热阻显然是越低越好。因为相同的环境温度与导热功率下,热阻越低,发热物体的温度就越低。热阻的大小与导热硅脂所采用的材料有很大的关系。
  (4)黏度
  黏度即指导热硅脂的黏稠度。一般来说,导热硅脂的黏度在68s左右。
  (5)使用导热硅脂的注意事项
  导热硅脂涂抹时最重要的是均匀,能够覆盖发热体核心即可,完全没必要涂抹太多甚至厚厚一层,那样反而会影响散热器的性能。要清楚所谓的导热硅脂的热传导系数高只是相较于空气而言,与散热器材质如铜甚至铝相比,要低得多。
 
  散热器材质的比热容
 
  前面探讨了散热器材质的传导能力,而对散热器而言,比热容也是必须考虑的技术指标。高比热容的材质可以在一定程度上保证散热器不致因热源产生的热量不断传来,不致随工作时间的延长而迅速降低散热能力。
  比热容在一定程度上代表物体的容热能力。在物理学中,对比热容的定义为:单位质量需要输入多少能量才能使温度上升1℃,其单位为cal/(kg.℃)。表3-2是几种常见物质的
比热容。
  我们看到,水的比热容远高于金属,有更强的容热能力,也正因为此,水冷往往有着更出色的散热效果。当然,这也与水冷系统强制循环的效率有关,此处暂不赘述。
  散热器与环境的热交换。当热量传到散热器的顶部后,就需要尽快地将传来的热量散发到周边环境中去,对风冷散热器而言就是要与周围的空气进行热交换。这时,热量是在两种不同介质间传递,所依循的公式为Q=aA△T,式中,△T为两种介质间的温差,即散热器与周围环境空气的温差;而口为流体的热导率,在散热片材质和空气成分确定后,它就是一个固定值;其中最重要的A是散热片和空气的接触面积,在其他条件不变的前提下,如散热器的体积~般都会有所限制。机箱内的空间有限,过大会加大安装的难度,而通过改变散热器的形状’增大其与室气的接触面积,增加热交换面积,是提高散热效率的有效手段。要实现这一点'一般通过用鳍片式设计辅以表面粗糙化或螺纹等办法来增大表面积。
  当热量传递给空气后,和散热片接触的空气温度会急速上升,这时热空气应该尽可能和周围的冷空气通过对流等热交换方式来将热量带走。
 
  散热器材质的选择
 
  在散热器材质方面,我们分别从提高热量从热源转移到散热器的效率即选择具有高传导  能力的材质,和提高散热器的容热能力即选择高比热容的材质两个侧面进行探讨。不过,在实际散热器的设计中,对应的二者之间的选择则不是分离的,尤其在中低端散热器的设计中,出于降低成本的目的,更多的是将二者综合考虑,通过使用热传导能力和比热容两方面相对均衡的一种材质达到相对好的效果。当然,对高端散热器而言,仅仅使用一种材质则未必达到理想的性能指标,则需考虑使用热传导能力强的材质与比热容较大的材质等至少两种以上材质相结合。
  一般来说,普通散热器自然要选择金属作为材料。对所选用的材料,希望其同时具有高比热容和高热传导系数,铝的这两个参数都居于前列,是一个相当不错的选择。由于铝具有密度小、延展性好、易于加工等特点,并且价格远比铜之类便宜,所以目前绝大多数散热器都采用铝作为主要材料。不过,纯铝硬度不足、切削性能差,所以在实际生产中,厂商们为了保证产品有适当的硬度,都采用铝合金来制造实际产品(铝约占总成分的98%),当然掺杂了其他金属会导致散热性能有所降低,但铝优良的导热能力在铝合金中基本都得到保留。 相比较而言,铜和铝合金二者同时各有其优缺点:铜的导热性好,但价格较贵,加工难较高,重量过大,且铜制散热器热容量较小,而且容易氧化。纯铝则太软,不能直接使用,使用铝合金才能提供足够的硬度,铝合金的优点是价格低廉、重量轻,但导热性比铜要相差很多。
  (1)纯铝散热器
  纯铝散热器是早期最为常见的散热器,其制造工艺简单,成本低,到目前为止,仍然占据着相当一部分市场。为增加其鳍片的散热面积,纯铝散热器最常用的加工手段是铝挤压技术,而评价一款纯铝散热器的主要指标是散热器底座的厚度和Pin -Fin比。Pin是指散热片鳍片的高度,Fin是指相邻的两枚鳍片之间的距离。Pin -Fin比是用Pin的高度(不含底座厚度)除以Fin,Pin-Fin比越大意味着散热器的有效散热面积越大,代表铝挤压技术越先进。
  (2)纯铜散热器
  铜的热传导系数是铝的1. 69倍,所以在其他条件相同的前提下,纯铜散热器能够更快地将热量从热源中带走。不过铜的质地是个问题,很多标榜“纯铜散热器”其实并非真正ioo%的铜。在不同含铜材料中,含铜量超过99%的被称为无酸素铜,下一个档次的铜为含铜量85%以下的丹铜。目前市场上大多数纯铜散热器的含铜量都介于两者之间。而一些劣质纯铜散热器的含铜量甚至连85%都不到,虽然成本很低,但其热传导能力大大降低,影响了散热性。此外,铜也有明显的缺点,成本高、加工难、散热器质量太大都阻碍了全铜散;热片的应用。红铜的硬度不如铝合金AL6063,某些机械加工(如剖沟等)性能不如铝;铜i的熔点比铝高很多,不利于挤压成形等问题。
  (3)铜铝结合散热器
  虽然目前最常用的散热片材料是铝合金和铜,铝合金容易加工,成本低,是应用最多的而铜较高的热传导系数使得其瞬间吸热能力比铝合金好,但散热的速度就较铝合金要慢,因此,无论纯铜、纯铝,还是铝合金散热器,都有一个致命的缺陷:由于只使用一种材虽然基本的散热能力能够满足轻度散热的需要,但由于无法很好地均衡热传导能力和热能力两个方面的要求,在散热要求较高的场合便难以适应。故又发展出铜铝结合散
  ①常见的铜铝结合工艺
  a.扦焊
  扦焊是采用熔点比母材熔点低的金属材料作为焊料,在低于母材熔点而高于焊料熔点的下,利用液态焊料润湿母材,填充接头间隙,然后冷凝形成牢固接合界面的焊接方法。
  主要工序有:材料前处理、组装、加热焊接、冷却、后处理等工序。常用的扦焊方式是锡扦焊,铝表面在空气中会形成一层非常稳定的氧化层(A1203),使铜铝焊接难度较高,这是阻碍焊接的最大因素。必须要将其去除或采用化学方法将其去除后并电镀一层镍或其他容易焊接的金属,这样铜铝才能顺利焊接在一起。
  散热片上的铜底是进行热的传导,要求的不仅是机械强度,更重要的是焊接的面积要大(焊着率要高),才能有效地提升散热效能,否则不但不会提升散热效能,反而会使其比全铝合金的散热片更加糟糕。
  b.贴片、螺丝锁合
  贴片工艺是将薄铜片通过螺丝与铝制底面结合,这样做的主要目的是增加散热器的瞬间吸热能力,延长一部分本身设计成熟的纯铝散热器的生命周期。经过测试发现,在铝散热片底部与铜块之间使用高性能导热介质,施加80kgf的力压紧后用螺丝将其锁紧,其散热效果与铜铝焊接的效果相当,同样达到了预计的散热效能提升幅度。
  这种方法较焊接简单,而且品质稳定,投入设备成本较焊接低,不过只是改进,所以性能提升不明显。虽然有散热膏填充,铜片与铝底之间的不完全接触仍然是热量传递的最大障碍。
  制造的主要工序有:铜片裁切、校平(平面度小于o.Imm)、钻子L、涂抹导热介质钻  孔、攻牙、清洗、强力预压程序、两段式锁合作业、定扭力锁螺丝。
  贴片工艺的重点在于控制好铜、铝平面度和粗糙度,以及锁螺丝的扭力等因素,即可得  到一定的效能提升,是一种不错的铜铝结合方式。如果使用的导热介质性能低劣,或是铜块平整度不良,热量就不能顺利地传导至铝的散热片表面,使散热效果大打折扣。另外,螺丝的锁合力和铜材的纯度不够,都是不良的影响因素。
  ②铜铝结合技术
  铜铝结合技术主要有塞铜、嵌铜两种。
  塞铜方式主要有两种,一种是将铜片嵌入铝制底板中,常见于用铝挤压工艺制造的散热器中。由于铝制散热器底部的厚度有限,嵌入铜片的体积也受到限制。增加铜片的主要目的是加强散热器的瞬间吸热能力,而且与铝制散热器的接触也很有限,所以大多数情况下,这种铜铝散热器比铝制散热器的效果好不了多少,若接触不良甚至会妨碍散热。另一种是将铜柱嵌入鳍片呈放射状的铝制散热器中。铜柱的体积较大,与散热器的接触较为充分。采用铜柱后,散热器的热容量和瞬间吸热能力都将增长。
  塞铜工艺在制造中一般通过如下方式实现。
  a.机械式压合
  机械式压合方式是将一块直径尺寸大于铝孔径的铜块,通过机械的方式,将其压合在一起。因为铝有延展性,所似铜可以在常温下与铝质散热片结合,这种方式结合的效果也比较好,但有一个致命的缺点就是铜在被挤压进入铝孔的过程中,铝孔内表面容易被铜刮伤,严重影响热的传导。因此要通过合理搭配过盈量以及优化设计铜块的形状来避免此类问题的发生。
  b.热胀冷缩结合
  利用专门机器在高温下将常温(或冷却后的)铜柱快速塞人铝质散热片的圆孔内,待其冷却收缩后,铜柱与铝质散热片就能紧密结合一体。这也是一种可靠的方法,其铜铝稳定性很高,由于没有使用第三方介质,结合紧密度最佳。塞铜工艺可以大幅度    降低接触面间的热阻,不但保证了铜铝结合的紧密程度,更充分利用了两种金属材料的散热特性。但要注意铜柱和圆孔的直径尺寸及表面粗糙度的品质控制,这些会对其散热效果产生一定的影响。
  在经过塞铜工艺处理后,散热器底面往往还要经过“铣,,和“磨,,处理。铣工艺针对塞铜处理中的铜芯;磨工艺则针对整个散热片底部进行磨平处理。
  c.锻造工艺(冷锻)
  锻造工艺主要由ALPHA公司掌握,其是在金属的特殊物理状态(降伏状态)下用高压将其压人锻造模具,并在模具上预置铜块,塞人降伏态的铝中。由于降伏态时铝的特殊性质(非液态、柔软、易于加工),铜和铝可以完美地结合,达到中间无空隙,界面热阻很小。锻造工艺难度大成本高,所以成品价格高昂,属于非主流产品。采用这种工艺的散热片一般都带有许多密密麻麻的针状鳍片。这种工艺制造的散热片样式丰富,设计的想象空间较大,但成本也相对较高。
  d.插齿
  插齿工艺大胆改进传统的铜铝结合技术。先将铜板刨出细槽,然后插入铝片,其利用60t以上的压力,把铝片结合在铜片的基座中,并且铝和铜之间没有使用任何介质。从微观上看铝和铜的原子在某种程度上相互连接,从而彻底避免了传统的铜铝结合产生界面热阻的弊端,大大提高了产品的热传导能力,并且可以生产铜片插铝座、铜片插铜座等各种工艺产品,来满足不同的散热需求。这种技术充分地延长了一部分铜铝结合技术的寿命。
  散热器的加工成型技术
  从某些角度看,散热器的加工成型技术决定了散热器的最终性能,也是厂商技术实力最重要的体现。目前散热器的主流成型技术多为如下几类。
  (1)铝挤压技术
  铝挤压技术简单地说就是将铝锭高温加热至520~540℃,在高压下让铝液流经具有沟槽的挤型模具,作出散热片初坯,然后再对散热片初胚进行裁剪、剖沟等处理后就做成了我们常见到的散热片。铝挤压技术较易实现,且设备成本相对较低,也使其在前些年的低端市场得到广泛的应用。一般常用的铝挤型材料为AL6063,其具有良好的热导率[160~180W/(m.K)]与加工性。
  (2)铝压铸技术
  除铝挤压技术外,另一个常被用来制造散热片的制造方式为铝压铸,通过将铝锭熔解成液态后,填充入金属模型内,利用压铸机直接压铸成型,制成散热片。采用压注法可以将鳍片做成多种立体形状,散热片可依需求做成复杂形状,因工艺简单而被广泛采用。一般常用的压铸型铝合金为ADC12,由于压铸成型性良好,适用于做薄铸件,但因热导率较差[约96W/(m.K)],现在国内多以AA1070铝料来作为压铸材料,其热导率高达200W/(m。K),具有良好的散热效果。不过,铝合金压铸散热器(如AA1070)存在着一些其自身无法克服的先天不足。
  1)压铸时表面流纹及氧化渣过多,会降低热传导效果。
  2)冷却时内部微缩孔偏高,实质热导率降低[K<200W/(m.K)]。
  3)模具易受侵蚀,导致寿命较短。
  4)成型性差,不适合薄铸件。
  5)材质较软,容易变形。
 
  总而言之,在进行LED隧道灯的散热设计时,需要综合考虑各种因素,根据经验和散热模拟软件进行分析有优化。做好了散热问题,LED隧道灯的寿命和光衰问题也就解决了大半了。这是所有LED生产厂家必须考虑的问题。

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