LED灯的散热分析（加热问题）

加热问题

像传统光源一样，半导体发光二极管（LED）在运行期间也会产生热量，其热量取决于整体发光效率。在外部电能的作用下，电子和空穴的辐射重新结合以产生电致发光。PN结附近辐射的光还需要穿过芯片本身的半导体介质和封装介质才能到达外部（空气）。结合芯片的电流注入效率，放射发光量子效率和外部光提取效率，最终只有30-40％的输入电能转换为光能，其余60-70％的电能主要是由晶格振动的非辐射复合引起。该形式转换热能。

LED的核心部分是PN结。当PN结重新结合时，电子和空穴将电能直接转换为光能。但是，并非所有转换后的光能都可以发射到LED的外部。PN结内部的吸收板和环氧树脂/有机硅将其转化为热量。这种热量对灯有巨大的副作用。如果不能有效散热，LED的温度将随着内部温度的升高而升高。温度越高，LED的发光效率越低，LED的寿命越短。在严重的情况下，LED芯片将立即失效。因此，散热仍然是大功率LED应用的巨大障碍。

热量对LED灯具寿命的影响

一般来说，LED灯的稳定性和质量对于灯体的散热至关重要。市场上的高亮度LED灯经常利用自然散热，效果不理想。LED光源制成的灯由光源，散热结构，驱动器和透镜组成。因此，散热也是重要的部分。如果LED不能很好地散热，则会影响其寿命。

热管理是高亮度LED应用中的主要问题

由于III族氮化物的p型掺杂受Mg受体的溶解度和空穴的较高起始能的限制，因此在p型区域中特别容易产生热量，并且该热量必须散发到散热器上通过整个结构；LED器件的散热途径主要是热传导和热对流。蓝宝石衬底材料的极低热导率会导致设备的热阻增加，从而导致严重的自热效应，从而严重破坏设备的性能和可靠性。

热量对高亮度LED的影响

热量集中在小尺寸的芯片中，并且芯片温度升高，导致热应力分布不均匀，芯片发光效率和磷光体激光发射效率下降；当温度超过一定值时，设备故障率将成倍增加。统计数据表明，组件温度每升高2°C，可靠性就会降低10％。当多个LED密集地布置以形成白光照明系统时，散热的问题变得更加严重。解决热管理问题已成为高亮度LED应用的先决条件。

芯片尺寸与散热之间的关系

增加LED亮度的最直接方法是增加输入功率。为了防止有源层的饱和，必须相应地增加pn结的尺寸。增加输入功率将不可避免地增加结温并降低量子效率。单管功率的增加取决于器件从pn结吸热的能力，同时保持现有的芯片材料，结构，封装工艺，芯片上的电流密度以及等效的散热条件，尺寸。芯片和结区分别增加温度将继续上升。

散热方法

铝鳍

这是最常见的散热方式。铝翅片用作外壳的一部分，以增加散热面积。

导热塑料外壳

使用LED绝缘和散热塑料代替铝合金制成的散热器可以大大提高散热能力。

表面辐射处理

灯罩的表面经过辐射热处理。一种简单的方法是应用辐射散热涂料，该涂料可以将热量从灯罩表面散发出去。

空气动力学

利用灯壳的形状产生对流空气，这是增强散热的最低成本方法。

扇子

灯壳内部使用了长效高效风扇，以提高散热效果，且成本低，效果好。但是，更换风扇比较麻烦，并且不适合在户外使用。这种设计比较少见。

热管

使用热管技术，热量从LED芯片传导到外壳的散热片。在大型灯中，例如路灯等，是常见的设计。

液体灯泡

使用液体灯泡包装技术，将具有高导热性的透明液体填充到灯体的灯泡中。除光反射原理外，这是唯一使用LED芯片的发光表面传导热量并散热的技术。

灯头的使用

在家用型低功率LED灯中，灯座的内部空间通常用于部分或全部插入加热驱动电路。这样，由于金属帽与灯座的金属电极和电源线紧密连接，因此可以使用金属表面较大的灯帽（例如螺帽）来散热。因此，可以从中散发一部分热量。

导热与散热

灯壳散热的目的是降低LED芯片的工作温度。由于LED芯片的膨胀系数与我们常用的金属导热和散热材料的膨胀系数有很大差异，因此无法直接焊接LED芯片，以避免高低温热应力损坏LED芯片。最新的高热导率陶瓷材料，热导率接近铝，并且可以调节扩展系统以与LED芯片同步。这样，可以将导热和散热整合在一起，从而减少了导热的中间环节。