CN102620268B - 非均匀分布的半导体照明散热器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非均匀分布的LED照明散热器，涉及涉及一种散热器，散热器中心位置有一个竖直的柱状鳞片，使散热器中心位置的温度从上部传导到下部。在竖直的柱状鳞片上，嵌套着一个或者多个“十”字形散热结构，“十”字形散热结构所处的平面与散热器基板平行。构成“十”字形散热结构的两个互相垂直的柱状鳞片两边都附着对称翅片。这种特殊的散热结构有利于增强散热器的热传导能力，使热量更加均匀地分布在散热器上，避免热量聚集在散热器中心位置，并且“十”字形散热结构可以增强空气气流在散热器内部的扰动性，有效的提高了空气自然对流系数。

Description

非均匀分布的半导体照明散热器

技术领域

本发明涉及一种散热器，尤其涉及LED半导体照明散热器。 

背景技术

20世纪末，伴随着蓝光LED的研制成功，以红、绿、蓝三原色混光的白光LED开始迅速的发展，LED开始被广泛应用于照明领域，由于其巨大的节能潜力，成为21世纪最具发展前景的高新技术领域之一。对于大功率LED来说，由于芯片的尺寸很小，所以芯片功率密度很大。基于目前的半导体制造技术，LED高功率产品输入功率约15%转换为光，剩下的85%的电能均转换为热能。如果热量集中在很小的芯片内而不能有效散出，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转换效率下降等一系列问题。因此，散热问题将成为半导体照明技术发展的阻碍。 

目前，国内外专家和学者提出的常用加快LED散热的方法主要有：采用倒装焊芯片结构；使用导热性能良好的粘结材料；垂直结构的LED芯片；金属引线框架技术；使用散热性能良好的散热器等。其中，通过在芯片基板下方添加散热器，使LED的散热效果大大增强，成为目前散热方案的首选。散热器的常用设计方法有风冷、水冷、微管道散热和热管技术等。随着半导体照明的逐步小型化，采用自然对流散热模式变得尤为重要，它不仅可以减小照明灯具的体积，减少噪音，而且使半导体照明灯具便于携带和安装，更容易普及到生活的各个方面。 

基于自然对流模式散热的半导体照明灯具，主要是通过增加散热器的散热面积来增强散热效果。而在工程应用中结合实际需求，大部分LED灯具散热器的体积是有限的。因此，如何在有限的体积中增加散热面积成为散热器设计的一个难点。常用的增加散热器散热面积的方法主要有以下几种： 

1：增加散热器的翅片数目

2：增加散热器的翅片厚度或者高度

3：改变散热器的外观

4：在散热器翅片边缘增加翅纹

5：改变散热器的翅片形状

方法1和方法2是通过增加散热器的尺寸参数来增大散热面积，但是在有限的散热体积内，散热器的翅片数目、高度和厚度都会受到一定的限制，当达到一定的数值时，散热器内部的空气自然对流系数将大大减小。方法3是通过改变散热器的外观，主要是四方形散热器和太阳花散热器等其他形状的散热器。方法4是在散热器的翅片边缘增加翅纹使得散热器散热面积大大增加。方法5是改变散热器翅片形状，翅片的形状主要有柱状鳞片和片状翅片。其中柱状鳞片散热器（主要包括针状、圆柱形、四边形和多边形或者其他形状）相比于片状翅片来说具有更大的截面积，内部导热能力更强。柱状翅片不同于片状翅片，空气在密集的柱状鳞片间流动，会在每个鳞片周围形成一个小型的“旋风”，令鳞片的整个侧表面都成为有效的散热表面积。但是方法4和方法5在有效的增加了散热器散热面积的时候，并没有充分利用散热器的散热空间，致使散热效果不好。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：提供一种可以增强LED横向导热与纵向导热的散热器。本发明是基于柱状鳞片散热器的散热表面积优势，充分利用有限的散热空间，在不影响散热器空气自然对流系数的情况下，通过在散热器的横向位置与纵向位置添加特殊的结构来增强热传导能力。 

设计一种非均匀分布的LED照明散热器，在LED照明设备金属基板的下面固定散热器，散热器中心位置有一个竖直的柱状鳞片，在竖直的柱状鳞片上，嵌套着一个或者多个“十”字形散热结构，“十”字形散热结构由两个互相垂直的水平导热柱体交叉而成，每个导热柱体都附着垂直于柱体方向的复数个散热翅片，“十”字形散热结构的交叉中心位置在竖直导热柱体上，散热器其余部分由均匀分布的柱状鳞片构成。 “十”字形散热结构所处的平面与散热器基板平行，并与散热器基板的底部保持一定的距离。水平导热柱体可分为上下两层。在散热器中导热柱体上增加横向导热肋片和纵向导热肋片，根据LED芯片温度下降区间确定添加横向导热肋片的厚度。 

其中，中心位置增加的竖直散热结构主要是实心的散热柱体（也可以是其他的形状，如：四边形柱体，圆形柱体，五边形柱体等规则或者不规则形状），本发明图例选取的是四方形实心柱体。实心柱体可以使得散热器中心位置的散热以热传导为主。但是散热柱体的体积不应该过大，以免影响散热器中心位置空气的自然对流系数。 

当“十”字形散热结构的数目大于1时，所有“十”字形散热结构的交叉中心位置都在竖直导热柱体上。散热器其余部分由均匀分布的柱状鳞片（柱状鳞片的形状也可以是针状，圆形，多边形等其他形状）构成。“十”字形散热结构可以使热量从竖直的散热柱体传导到散热器的四个方向。同时，“十”字形散热结构的每根柱体所附着的垂直翅片，也可以将柱体的温度传导到垂直翅片，从而更加有效的增强散热器的热传导功能。 

本发明主要是通过设计新型的散热结构增强散热器中心位置向四周的热传导能力，由于散热器的散热形式有热传导、热对流和热辐射（可忽略）。因此，本发明在增强散热器的热传导能力的同时，同样也考虑到了散热器的热对流。散热器的热对流与空气的自然对流系数有直接的关系，散热器翅片间距和翅片高度对空气的自然对流系数有很大的影响，翅片越密集，自然对流系数越小，当达到一定程度就会变成纯导热。因此，本发明在设计的时候，充分考虑到了散热器的密集程度，从热传导和热对流两个方面有效增强了散热效果。相比其他散热器来说，本设计可以减小散热器体积，适合于较小散热空间的要求，随着散热器的小型化，LED照明将会普及到更多的领域。 

附图说明

图1是本发明实施例的主视图； 

图2是本发明实施例的左视图；

图3是本发明实施例的俯视图；

图4 本发明散热器与柱状散热器的散热效果对照图。

具体实施方式

通过下文中参照附图对本发明所作的描述和权利要求，本发明的其他目的和成就将显而易见，并可对本发明有全面的理解。 

本发明涉及一种非均匀分布的LED照明散热器，在LED照明设备金属基板的下面固定散热器，散热器中心位置有一个竖直的柱状鳞片，在竖直的柱状鳞片上，嵌套着一个或者多个“十”字形散热结构，“十”字形散热结构由两个互相垂直的水平导热柱体交叉而成，每个导热柱体都附着垂直于柱体方向的复数个散热翅片，“十”字形散热结构的交叉中心位置在竖直导热柱体上，散热器其余部分由均匀分布的柱状鳞片构成。 

散热器的翅片间距和翅片高度对空气的自然对流系数有很大的影响，在散热器中导热柱体上增加横向导热肋片和纵向导热肋片，根据LED芯片温度下降区间确定添加横向导热肋片的厚度。依据LED的功率确定散热器中心肋片厚度、横向导热片厚度、横向导热片宽度。 

本实施例采用正交实验法进行上述参数的选取和确定，也可采用本领域的其他方法。 

在LED芯片温度下降区间选择添加导热柱体横向导热肋片的厚度。假设散热器的尺寸为35mm×35mm×12mm，横向导热肋片的宽度是10mm,厚度是2mm，长度是35mm。以散热器中心部位的底面作为坐标中心，X和Y分别是相对于原点的Z轴上的坐标。(X-Y)是横向导热肋片的厚度。表格一表明横向导热片的位置对LED模型的结温的影响。 

表一：横向导热片的位置对LED模型的结温的影响 

实验编号	（X-Y）/单位mm	芯片结温/℃
			1	（0-2）	37.372
2	（1-3）	37.188
			3	（2-4）	37.195
4	（3-5）	37.201
			5	（4-6）	37.205
6	（5-7）	37.192
			7	（6-8）	37.210
8	（7-9）	37.213
			9	（8-10）	37.214
10	（9-11）	37.216

由上表可以看出，当导热肋片处于（1-3）和（5-7）位置的时候，LED芯片温度有所下降。因此在添加导热柱体的时候，应在这两个区间位置选择。

正交实验设计法具有完成实验要求所需的试验次数少、数据点分布均匀、可用相应的极差分析方法对试验结果进行分析。 

采用正交试验对散热器中心肋片的厚度、横向导热肋片的厚度、横向导热肋片的宽度以及不同疏密度的肋片散热器进行优化设计。把影响散热器散热性能的散热器中心肋片厚度、横向导热片厚度、横向导热片宽度以及不同疏密度散热器4个参数作为因素，每个因素取4个水平，以模型的最高温度为指标，采用正交标L15（44）模拟实验，结果如表二所示。（表中单位均为mm） 

表二：正交试验表

试验序号	散热器中心肋片的厚度	横向导热片厚度	横向导热片的宽度	散热器不同疏密度类型	模型的最高温度/℃
						（1）	0.5	1	5	Ⅰ	37.144
（2）	0.5	2	15	Ⅱ	37.217
						（3）	0.5	3	25	Ⅲ	37.605
（4）	0.5	4	35	Ⅳ	38.443
						（5）	1	1	15	Ⅲ	37.043
（6）	1	2	5	Ⅳ	37.139
						（7）	1	3	35	Ⅰ	38.155
（8）	1	4	25	Ⅱ	37.993
						（9）	1.5	1	25	Ⅳ	36.978
（10）	1.5	2	35	Ⅲ	37.359
						（11）	1.5	3	5	Ⅱ	37.192
（12）	1.5	4	15	Ⅰ	37.590
						（13）	2	1	35	Ⅱ	36.948
（14）	2	2	25	Ⅰ	37.291
						（15）	2	3	15	Ⅲ	37.381
（16）	2	4	5	Ⅳ	37.212

表三：

散热器中心肋片的厚度对试验指标的极差

水平序号	“1”	“2”	“3”	“4”	极差
						散热器中间肋片厚度/mm	0.5	1	1.5	2
LED芯片最高温度/℃	37.602	37.583	37.280	37.208	0.394

横向导热片的厚度对试验指标的极差分析表

水平序号	“1”	“2”	“3”	“4”	极差
						横向导热片厚度/mm	1	2	3	4
LED芯片最高温度/℃	37.028	37.252	37.583	37.810	0.782

横向导热片的宽度对试验指标的极差分析表

水平序号	“1”	“2”	“3”	“4”	极差
						横向导热片宽度/mm	5	15	25	35
LED芯片最高温度/℃	37.171	37.308	37.467	37.726	0.555

四种不同疏密度的散热器对试验指标的极差分析表

水平序号	“1”	“2”	“3”	“4”	极差
						散热器类型/mm	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ	Ⅳ
LED芯片最高温度/℃	37.545	37.337	37.347	37.443	0.208

由上表可见，

影响LED散热器最高温度的影响由大到小依次为：横向导热片的厚度、横向导热片的宽度、散热器中心肋片的厚度、散热器散热肋片的疏密度。散热器中心肋片的厚度以不影响周围自然对流系数为前提，厚度越厚，散热效果越好。随着导热肋片厚度的增加，芯片温度开始增加，不利于散热。横向导热肋片的厚度会对散热器的热阻造成一定的影响，从而降低散热效果。因此，在散热器中增加横向导热肋片和纵向导热肋片，有利于散热。

经过对实验数据的分析，当散热器的翅片间距和翅片高度的比值大于0.25的时候，肋片与环境之间的对流换热占主要部分，肋片之间的间距与自然对流换热系数成正比，当肋片之间的间距变小的时候，自然对流换热系数也会减小，导热逐渐取代对流换热成为主要的散热方式。 

散热器中心肋片厚度、横向导热片厚度、横向导热片宽度以及不同疏密度散热器4个参数的确定依据LED的功率。从对上述表三的极差进行分析计算，当LED的功率为1W时，散热器中间肋片的厚度是2mm，横向导热片的厚度是1mm，横向导热片的宽度是35mm，此时散热器散热效果最好。 

下面结合附图，通过具体实施例详细说明本发明的技术方案。 

如图1所示为本发明实施例的主视图，非均匀分布散热器的LED照明设备包括：封装透镜1、LED发光芯片2、芯片衬底4、粘结层5、PCB电路板3、金属散热基板6和散热器7，散热器固定在LED照明设备的金属基板上，散热器7包括纵向的竖直导热柱体8以及中心位置穿插在竖直导热柱体上的“十”字形导热结构。 

LED发光芯片和芯片衬底都被封装在透镜中，下部通过粘结材料连接在PCB电路板上，PCB板封装在金属基板上，金属基板固定在散热器上面。由于LED芯片位于散热器上部的中心位置，热量的传导路径是从LED芯片传导到芯片基板，然后再传导到散热器。 

通过仿真分析与实际温度测试，散热器中心位置的温度明显高于散热器周边的温度，为了使中心位置的温度传导到散热器的周边，首先，在散热器中心位置增加竖直的散热结构，该散热结构具体可为一个竖直的柱状鳞片，从而使得散热器中心位置的温度更有效的从散热器上部向下部传导；其次，在垂直于竖直导热结构的方向上增加至少一个“十”字形的散热结构，嵌套一个或者多个“十”字形散热结构，散热器基板下部其余部分均匀地分布着柱状鳞片，从而使散热器中心位置温度向四周的翅片传导。 

其中，中心位置增加的竖直散热结构可以是实心的散热柱体（也可以是其他的形状，如：四边形柱体，圆形柱体，五边形柱体等规则或者不规则形状）。本实施例选取的是四方形实心柱体，实心柱体可以使得散热器中心位置的散热以热传导为主。但是散热柱体的体积不应该过大，根据以上实验数据，导热柱体的体积为附着其上的翅片截面宽度的2倍，以免影响散热器中心位置空气的自然对流系数。 

“十”字形散热结构是由两个互相垂直的导热柱体交叉而成，并且每个导热柱体都附着垂直于柱体方向的散热翅片，散热翅片的数目为复数个。当“十”字形散热结构的数目大于1时，所有“十”字形散热结构的交叉中心位置都在竖直导热柱体上。 

散热器其余部分由均匀分布的柱状鳞片（柱状鳞片的形状也可以是针状，圆形，多边形等其他形状）构成。“十”字形散热结构可以使热量从竖直的散热柱体传导到散热器的四个方向。同时，“十”字形散热结构的每根柱体所附着的垂直翅片，也可以将柱体的温度传导到垂直翅片，从而更加有效的增强散热器的热传导功能。 

如图3所示是本发明实施例的俯视图。图3中可见，“十“字形导热结构是由水平导热柱体9和水平导热柱体10相互交叉而成，竖直导热柱体8贯穿导热柱体9和10的交叉点，通过注塑一体成型实现。水平导热柱体9和水平导热柱体10的两边分别附着许多柱状鳞片，这种结构可以将导热柱体9和10的温度传导到柱状鳞片上。柱状鳞片的形状可以是三角形、四边形或其他多边形，柱状鳞片不宜太密集，合适的间距可以有效增加散热器中的空气自然对流系数，翅片的间距应遵循翅片间距和翅片高度的比值大于0.25，以提高自然对流换热系数，增强散热。“十”字形的散热结构可以有效的增加散热器的热传导，使温度沿着导热柱体方向传导，并且导热柱体9和10两边所添加的柱状鳞片可以有效的提高空气的自然对流换热系数，增强空气在散热器内部的扰动性。 

从参考图1和2中可以看到，本实施例中的水平导热柱体9可设计为上下两层，分别是上层导热柱体9（1）和下层导热柱体9（2），同样水平导热柱体10也可以设计为上下两层，即上层导热柱体10（1）和下层导热柱体10（2）。上层导热柱体位于距离散热器基板1mm到3mm处，下层导热柱体位于距离散热基板5mm到7mm处，此时的散热效果最佳。 

其中水平导热柱体9和10的数目并不仅仅局限于2个，还可以根据需要在导热柱9和导热柱10的交叉点所在的竖直方向上增加”十“字形散热结构。但是，“十”字形散热结构不能过于接近散热器基板底部，不然热量会直接传导到导热柱体9和导热柱体10中，竖直方向的导热柱体8将不能有效的使温度从上部传导到下部。 

参考图4是本发明实施例的散热器与目前常用的柱状散热器的温度分布图，散热器材料选用铝制散热器，环境温度为25℃，散热器的长度是28.5mm，宽度是28.5mm，高度是11.5mm，翅片的形状采用长为2.7mm，宽为1mm，高度为9.5mm的长方形柱状鳞片。鳞片的数目是8*8=64个。从温度分布图中，可以看到目前常用散热器的LED芯片的结温是42.019℃，并且实验的温度与实际的测试温度基本一致。而本发明涉及的散热器可以使芯片结温达到36.321℃，芯片结温较常用散热器的最高结温降低了6℃左右。 

以上实施例仅用以说明，而非限制本发明的技术方案，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均涵盖在本发明的权利要求保护的范围之中。 

Claims (4)

1. 一种非均匀分布的LED照明散热器，在LED照明设备金属基板的下面固定散热器，其特征在于，散热器中心位置有一个竖直导热柱体，在竖直导热柱体上，嵌套着一个或者多个“十”字形散热结构，“十”字形散热结构由两个互相垂直的水平导热柱体交叉而成，每个水平导热柱体都附着垂直于柱体方向的复数个散热翅片，“十”字形散热结构的交叉中心位置在竖直导热柱体上，散热器基板下部其余部分均匀分布着散热翅片，散热翅片间距和散热翅片高度的比值大于0.25，竖直导热柱体的体积值为附着其上的散热翅片截面宽度值的2倍。

2.根据权利要求1所述的非均匀分布的LED照明散热器，其特征在于，当LED的功率为1W时，散热器中心位置竖直导热柱体厚度为2mm，水平导热柱体厚度为1mm，水平导热柱体宽度为35mm。

3.根据权利要求1所述的非均匀分布的LED照明散热器，其特征在于，当“十”字形散热结构的数目大于1时，所有“十”字形散热结构的交叉中心位置都在竖直导热柱体上。

4.根据权利要求1所述的非均匀分布的LED照明散热器，其特征在于，水平导热柱体分为上下两层，上层导热柱体位于距离散热器基板1mm到3mm处，下层导热柱体位于距离散热器基板5mm到7mm处。

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