基于石墨导热介质的新型LED路灯散热系统

基于石墨导热介质的新型LED路灯散热系统
杨振忠;马忠良;王峰
【摘要】随着(大功率)LED技术的快速发展，大功率LED道路照明灯具的散热设
计成为一个重要的产品评价指标，引起各公司广泛注意。

本文首先分析石墨的导热性能，提出一种基于石墨导热介质的新型LED路灯散热系统,利用热分析软件Flotherm7.1进行仿真分析，然后对采用石墨导热介质的LED路灯和采用硅胶导
热垫的LED路灯进行温度比较测试，计算机模拟仿真和实验测试均验证了石墨作
为导热介质的优越性。

本基于石墨导热介质的新型LED路灯已获国家专利(专利号：200920297203.6)。

【期刊名称】《照明工程学报》
【年(卷),期】2011(022)003
【总页数】4页(P49-52)
【关键词】LED路灯；散热；石墨：仿真
【作者】杨振忠;马忠良;王峰
【作者单位】河南恒基光电有限公司，郑州450016;河南恒基光电有限公司，郑
州450016;上海半导体照明工程技术研究中心，上海201203
【正文语种】中文
1 引言
LED路灯以大功率发光二极管(LED)为光源，是一种固态冷光源，与传统高压钠灯
相比，具有环保无污染、耗电少、光效高、寿命长等特点［1］。

国家建设部和发改委已明确提出城市照明要向“高效、节能、环保、健康”的“绿色照明”方向发展［2］，科技部启动的“十城万盏”半导体照明应用工程［3］，有力地推动了LED路灯的推广。

发光二极管(LED)是一种注入电致发光器件，在外加电场作用下，电子与空穴辐射复合而发生电致作用将电能的10%～20%转化为光能(量子效应)，而无辐射复合产生的晶格振荡将其余80%～90%的能量转化为热能。

对单个LED而言，如果能量集中在尺寸很小的芯片内部而不能有效散出，则会导致芯片温度升高，引起热应力的非均匀分布、芯片发光效率和荧光粉激射效率下降。

大约70%的LED故障来自温度过高，当温度超过一定值，器件的失效率将呈指数规律攀升，元件温度每上升2℃，可靠性下降10%［4～6］。

从图1美国Cree公司公布的光衰曲线［7］也能看到LED结温对光衰的影响。

因此在大功率LED路灯设计中，散热设计是最重要的工作之一。

图1 Cree公司LED的结温和光衰寿命试验结果
2 新型LED路灯散热系统ST〗
被动式散热是目前LED路灯采用最广泛的一种散热方式，主要依靠灯具散热器和空气的自然对流将LED灯珠产生的热量散出。

这种散热方式设计简单，很容易和灯具的机械结构结合起来，比较容易达到灯具的防护等级要求，并且成本较低、可靠性好。

为防止LED灯珠热沉和散热器均温板之间出现间隙而引起导热不良，通常在LED灯珠热沉和散热器均温板之间放置导热硅胶垫，但商用导热硅胶垫的导热系数通常小于3W/MK，导热系数低、热阻大，成为导热路径上的瓶颈。

2.1 石墨导热性能
如图2所示，在石墨晶体中，碳原子以sp2杂化轨道和邻近的三个碳原子形成共价单键，构成六角平面的网状结构，这些网状结构又连成片层结构。

层中每个碳原
子均剩余一个未参加sp2杂化的p轨道，其中有一个未成对的p电子，同一层中
这种碳原子中的m电子形成一个m中心m电子的大∏键(键)，这些离域电子可以在整个碳原子平面层中活动，所以石墨具有层向的良好导电导热性质［8］，石墨单晶面导热系数可高达2200 W/MK。

另外，石墨还具有机械性能好、密度低、热膨胀系数小等优点。

因此，石墨被认为是一种很有发展潜力的新型高导热材料［9，10］。

图2 石墨晶格结构
图3为我公司采用的石墨材料与常见导热材料导热性能对比图。

可以看出石墨导
热介质的水平导热系数高达550 W/MK，甚至高于银和铜，是硅胶的100多倍。

用石墨取代硅胶作为导热介质，将大大提高导热效率，有效消除导热瓶颈。

图3 石墨与常见导热材料导热性能对比
2.2 新型LED路灯散热结构
图4为新型LED路灯散热结构示意图，主要包括:散热器、散热器均温板、石墨导热介质、LED灯珠及灯珠热沉。

灯源为200颗LED灯珠，总功率为200W;散热器采用铝挤压型材，长度为660mm，宽度为350mm，21片肋片;石墨导热介质采
用0.2mm厚石墨导热片，含碳量99.5%，一面背胶，一面PET，水平导热系数550W/MK，垂直导热系数25W/MK，回弹率15%。

将石墨导热片背胶面平铺于散热器均温板上，用橡胶滚子滚压挤出石墨导热片与散热器均温板之间的空气，然后放置LED灯珠，使LED灯珠热沉与石墨导热片紧贴。

利用石墨导热片良好的导热性能，将LED灯珠热沉上的热量快速均匀地传导到散热器均温板上，消除“高
热点”区域，从而将LED灯珠热沉上的热量有效转移到散热器均温板上，再由散
热器通过与空气对流方式传递到空气中。

图4 新型LED路灯散热结构
3 仿真及测试分析
为便于比较分析，将水平导热系数和垂直导热系数均为4W/MK的硅胶导热垫作
为导热介质组装一LED路灯，和以石墨导热片为导热介质的LED路灯进行热性能比较分析。

3.1 热学仿真
采用热分析软件Flotherm7.1进行仿真分析。

在Flotherm7.1中建立热分析模型，主要由热源、导热介质和散热器组成。

因为LED内部热阻是一固定值，模型中把
每只LED考虑成一个热源，不考虑其内部结构。

对流模式为空气自然对流，空气
的自然对流系数取平均值7.5 W/(m2 K)。

设置室温为20℃，石墨水平导热系数550W/MK，垂直导热系数为25W/MK，硅胶导热垫水平导热系数和垂直导热系
数均为4W/MK。

图5 采用石墨导热片时仿真结果
图6 采用硅胶导热垫时仿真结果
图5为采用石墨导热片为导热介质的LED路灯热仿真结果，其结温为52.3℃;图6为采用硅胶导热垫为导热介质的LED路灯模型仿真结果，其结温为66.3℃;前者比后者低约14℃，散热效果非常明显!
3.2 热测试
热测试分为两部分:LED灯珠热沉温度测试和LED灯珠结温测试。

LED灯珠热沉温度测试利用热电偶监测LED灯珠热沉温升过程，LED灯珠结温测试参考
EIA/JESD51-1(1995)标准［11］，采用电压法测试［12，13］。

3.2.1 LED灯珠热沉温度测试
在两种灯散热器均温板同一位置用电钻钻一个直径为2mm的孔。

在温度恒定为20℃的密闭房间，点灯时用热电偶分别测试钻孔处对应灯珠热沉温度。

测70分钟，前10分钟每15秒记录一次，后60分钟每分钟记录一次。

测试结果如图7所示，图中上方菱形标记曲线为以硅胶导热垫作为导热介质的
LED路灯灯珠热沉温升曲线，下方方形标记曲线为以石墨导热片作为导热介质的LED路灯灯珠热沉温升曲线。

可以看出，采用石墨导热介质的LED灯珠热沉温升
明显较慢。

原因是石墨导热性能好，相同时间内将更多热量从LED灯珠热沉快速
均匀传导到散热器均温板上，再由散热器通过与空气对流方式传递到空气中，从而始终将LED灯珠热沉温度控制在一个相对低的值上。

3.2.2 LED结温测试
LED结温测试采用电压法测量，室温为20℃，电压精度为0.1mV。

正向压降随温度变化系数为K;LED灯珠电流为369mA时灯珠两端电压为V，单位为V;LED路
灯稳定后关掉，加10mA电流时LED灯珠两端电压为Vf，单位为V;室温为20℃，LED路灯未开时，加10mA时灯珠两端电压为V0，单位为V;结温为Tj，单位为℃;管芯到空气热阻为Rth ja，单位为:℃/W。

图7 采用两种导热垫时仿真结果
表1 结温测试参数灯具参数K V Vf V0 Tj Rth ja采用石墨垫导热介质LED路灯－0.0012 3.4795 2.5883 2.6095 52.67 25.05采用硅胶垫导热垫LED路灯－
0.0012 3.4617 2.5729 2.6095 65.5 36.01
测试结果如表1所示，可见采用石墨导热介质LED路灯比采用硅胶导热垫LED路灯的管芯到空气热阻(Tja)小约11℃/W，结温低12.83℃。

根据图1Cree公司公
布的光衰曲线，当工作环境为20℃时，前者50%光衰寿命会比后者高一倍，优势非常明显!
4 结论
计算机模拟仿真和实验测试结果均表明:与传统采用硅胶导热垫导热的LED路灯相比，基于石墨导热介质的新型LED路灯结构简单、取材容易、成本低廉、导热及
散热性能好，可显著降低LED灯的结温温度，有效地提高LED灯使用寿命。

目前，本基于石墨导热介质的新型LED路灯已获国家专利(专利号:ZL95105354)。

参考文献
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［3］科技部网站:http://www．most．gov．cn/k
jbgz/200905/t20090507_69046.htm
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