利用微熱管技術(shù)解決各種LED的散熱難題，有何特點(diǎn)

相對(duì)傳統(tǒng)光源，LED具有的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)還包括長(zhǎng)壽命、響應(yīng)快、潛在高光效、體積小以及窄光譜等優(yōu)點(diǎn)。但究其本質(zhì)，在這眾多的優(yōu)點(diǎn)中，潛在的高光效、體積小和窄光譜這三點(diǎn)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(diǎn)，使得LED仍存在應(yīng)用的障礙--散熱問(wèn)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。如果沒(méi)有良好的散熱方法，芯片的熱量散不出去，將使芯片失效。

散熱成LED開(kāi)發(fā)必須解決難題

如果LED芯片的熱量不能散出去，會(huì)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(chēng)為冷光源。LED一般采用環(huán)氧樹(shù)脂封裝，環(huán)氧樹(shù)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?yàn)榘l(fā)光功率小，熱量也不大，故沒(méi)有散熱問(wèn)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(dá)到所需的光通量。對(duì)于大功率器件來(lái)說(shuō)，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(dá)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(huì)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(qiáng)度降低。隨著芯片結(jié)溫的升高，芯片的發(fā)光效率也會(huì)隨之降低，芯片結(jié)溫越高，發(fā)光強(qiáng)度下降越快。

二是發(fā)光主波長(zhǎng)偏移，致使光轉(zhuǎn)換效率下降。

三是加速LED的光衰，嚴(yán)重降低LED的壽命。

所以，功率型LED芯片散熱問(wèn)題成為當(dāng)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(guò)有效的散熱設(shè)計(jì)，保證LED的工作結(jié)溫在允許溫度范圍內(nèi)。散熱能力越強(qiáng)，結(jié)溫越低。

LED照明系統(tǒng)的散熱問(wèn)題主要有兩個(gè)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(duì)流換熱。目前，在解決功率型LED照明系統(tǒng)的散熱問(wèn)題上主要采用的方法有：調(diào)整LED的間距、自然對(duì)流散熱、加裝風(fēng)扇或是水冷強(qiáng)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(shì)下，借助熱管的高效輸熱來(lái)實(shí)現(xiàn)快速散熱就變得非常必要。另外，現(xiàn)有散熱裝置強(qiáng)調(diào)熱傳導(dǎo)環(huán)節(jié)、忽視對(duì)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(lái)改善熱傳導(dǎo)環(huán)節(jié)：如采用熱管、加導(dǎo)熱硅脂等，卻沒(méi)有意識(shí)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(yán)重不均勻，將會(huì)導(dǎo)致其中部分翅片（溫度較低的部分）效率大大降低?，F(xiàn)有針對(duì)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(shí)際生產(chǎn)。

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(gè)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?yàn)榉庋b必然產(chǎn)生內(nèi)部熱阻，這個(gè)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(duì)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(duì)于LED功率芯片的內(nèi)部傳熱，增強(qiáng)功率型LED散熱能力的核心目標(biāo)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(jì)算入手來(lái)進(jìn)一步探討和改進(jìn)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(lái)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(wú)論采用哪種焊接方式，芯片都需通過(guò)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。近年來(lái)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(duì)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(qiáng)制風(fēng)冷、強(qiáng)制液冷。

由于LED散熱的特殊性（高價(jià)值、維護(hù)成本高、工作時(shí)間長(zhǎng)、防護(hù)等級(jí)高等），目前LED通過(guò)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(mǎn)足大功率LED的散熱，通常只能通過(guò)加大與空氣換熱的熱沉表面積（翅片面積）來(lái)實(shí)現(xiàn)換熱量的提高。另外由于電子器件的溫度不高，無(wú)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(duì)好的自然散熱模組中最大不會(huì)超過(guò)總換熱量的10%左右，且技術(shù)相對(duì)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(wèn)題。但由此會(huì)產(chǎn)生LED的重量、配光、造型等各方面的實(shí)際問(wèn)題，因此，對(duì)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(wèn)題。

當(dāng)不考慮LED內(nèi)部熱阻時(shí)，一個(gè)有效的LED外部散熱器（或稱(chēng)散熱模組）需要解決三個(gè)層次的傳熱問(wèn)題：一是要將大功率集中發(fā)熱體（高熱流密度）的熱量通過(guò)基座低熱阻有效吸收與擴(kuò)散形成相對(duì)低熱流密度的熱量；二是將相對(duì)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(duì)流散熱要優(yōu)化。

針對(duì)第一個(gè)傳熱問(wèn)題，傳統(tǒng)上低熱阻有效吸收與擴(kuò)散高熱流密度發(fā)熱體熱量的最簡(jiǎn)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(dāng)熱流密度較高時(shí)，發(fā)熱體中心熱量還是很難有效擴(kuò)散開(kāi)來(lái)，造成中心部溫度過(guò)高。對(duì)于超大功率的集成LED光源，傳統(tǒng)的金屬導(dǎo)熱無(wú)法解決其中心溫度過(guò)高的難題。針對(duì)第二個(gè)傳熱問(wèn)題，目前最通常的辦法是采用鋁翅片來(lái)實(shí)現(xiàn)模組本體內(nèi)部的導(dǎo)熱。很顯然，為了達(dá)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(guò)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(wú)法解決集成光源中心部位溫度過(guò)高的難題。因此，近年來(lái)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(lái)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(duì)第三個(gè)問(wèn)題，目前對(duì)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(wèn)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(méi)有或者很難實(shí)現(xiàn)理想的空氣對(duì)流模式。

微熱管可實(shí)現(xiàn)傳熱強(qiáng)化

微細(xì)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(shí)現(xiàn)傳熱的強(qiáng)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(lái)，微型熱管的結(jié)構(gòu)經(jīng)歷了重力型、具有毛細(xì)芯的單根熱管，到具有一簇平行獨(dú)立微槽道的平板熱管，進(jìn)而發(fā)展到內(nèi)部槽道簇之間通過(guò)蒸汽空間相互連通的形式。近十幾年來(lái)，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(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者進(jìn)行了研究。但至今沒(méi)有成熟的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化產(chǎn)品。

從傳熱觀點(diǎn)看，微細(xì)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(shí)現(xiàn)傳熱的強(qiáng)化。平板微熱管陣列（micro-heatpipearray），即將多個(gè)同時(shí)形成的、彼此完全獨(dú)立的微細(xì)熱管組合在一起（而不僅僅是微通道陣列熱管），各個(gè)微細(xì)熱管間不連通，且每個(gè)微熱管內(nèi)表面可帶有微槽群等強(qiáng)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(diǎn)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(yùn)能力小的問(wèn)題；第二，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)使得相變換熱面積大大增加。因?yàn)槲峁苤g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(duì)的微槽面上，在整個(gè)微熱管的周面都有相變發(fā)生。無(wú)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(qiáng)化。第三，微細(xì)熱管之間的間壁在結(jié)構(gòu)上起到了“加強(qiáng)筋”的作用，大大增強(qiáng)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(diǎn)，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(zhǎng)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(dú)立的微細(xì)熱管，每個(gè)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(gè)微熱管損壞的情況，其他獨(dú)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(yuǎn)遠(yuǎn)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。利用平板微熱管陣列技術(shù)，每平米為200~400根，獨(dú)立運(yùn)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(qiáng)、能夠與換熱表面很好貼合、熱輸運(yùn)能力強(qiáng)、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)。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(wèn)題。

微熱管陣列具有高效吸熱性

微熱管陣列因?yàn)橥瑫r(shí)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(píng)價(jià)方法主要是測(cè)量熱管沿軸向的溫度均勻性。熱管的響應(yīng)時(shí)間則取決于其材料（包括金屬材料及工質(zhì)）的熱容。為了評(píng)價(jià)制作的平板微熱管陣列，用50cm長(zhǎng)的熱管進(jìn)行了均溫性及熱響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)時(shí)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(shí)驗(yàn)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?xún)?nèi)，熱響應(yīng)時(shí)間在80s以?xún)?nèi)。

通過(guò)對(duì)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(jìn)行試驗(yàn)測(cè)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(yùn)輸長(zhǎng)度、接觸熱阻對(duì)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(duì)裝置的傳熱影響、接觸熱阻對(duì)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(wú)明顯變化。U形微熱管陣列是一種由實(shí)驗(yàn)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?yàn)橥瑫r(shí)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(diǎn)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(dá)到200W/cm；

二是高熱傳導(dǎo)率：是實(shí)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(dú)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(jī)械性破壞；

四是高等溫性：每米溫差小于1℃，幾乎可以被認(rèn)為是一個(gè)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(shí)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)”。