為解決LED熱量集中問題，設計高導熱散熱模型以及使用高導熱材料格外重要。石墨烯材料因在平面的二維方向具有良好的熱導率，將其與散熱器表面相結合，能充分發揮其在熱擴散方面的作用。石墨烯在平面方向高達5 300 W /(m·K)的熱導率，可有效傳導溫度，消除熱點，快速降低結溫。主要研究石墨烯與鋁散熱器基底表面相結合的方式對LED燈具散熱性能的仿真分析，采用ICEPAK散熱分析軟件和仿真技術，分析了不同厚度石墨烯的散熱效果，獲得了用于所設LED模型條件下的石墨烯最佳厚度條件，并與不使用石墨烯情況下作了對比研究?？隙耸档蚅ED結溫的影響。

關鍵詞：LED結溫；熱仿真；散熱器；石墨烯；ICEPAK

LED 燈是一種高效高節能、綠色環保的電子器件。LED燈具已被廣泛應用于家庭照明、交通信號燈、電視屏幕、汽車車燈等。在照明市場占據著越來越重要的地位。但是，隨著單顆燈珠功率增加以及封裝密度增加，經過長時間的工作后，面臨著LED結溫熱積聚的問題，結溫升高將導致燈具工作不穩定，出光效率降低以及照明壽命減小等問題。研究發現，大約七成的LED燈具失效由于結溫過高導致，當結溫大于一定值時，燈具的失效率將呈指數規律上升，結溫每上升 2 ℃，燈具的可靠性就下降 10%^[1]。因此，使用高導熱材料將LED結溫處的溫度導出來顯得尤為重要。

LED燈具的散熱方式分為兩大類：主動式散熱和被動式散熱。常見的主動式散熱有：風冷散熱，液冷散熱，壓縮機制冷散熱，電子制冷散熱。被動式散熱主要的兩種方式是肋片散熱和熱管散熱。被動式散熱是目前LED燈具采用最廣泛的一種散熱方式，LED 燈封裝結構里包含有燈珠、散熱墊、熱沉、散熱器以及導熱硅膠墊。由于這些封裝材料的導熱系數低，熱阻大，導致散熱成為一大瓶頸。優異的高導熱材料是解決電子器件和設備散熱的關鍵。自從 2004 年英國曼切斯特大學采用剝離法制得石墨烯材料后，石墨烯材料的強大散熱性能得到廣泛重視，石墨烯開始應用于電子器件的散熱。當石墨膜嵌入石墨烯時可使石墨散熱膜材料具有高達近 2 200 W/(m·K)^[2]以上的導熱系數。目前的很多手機的散熱片都是用石墨材料制成[3]，像華為石墨烯基鋰離子電池里面的“石墨烯”用于提升鋰離子電池散熱效果。石墨烯改善散熱的主要是因為它在平面內極高的導熱率從而將熱源處的溫度能快速導出和石墨表面增強紅外線輻射散熱效果。研究石墨烯優良的導熱性能，將石墨烯與鋁散熱器基底進行結合進行熱仿真分析，研究了石墨烯對于降低LED結溫的效果。

常見的散熱器有擠壓的型材散熱器、焊接散熱器、叉翅散熱器、針狀散熱器四類。其中擠壓的型材散熱器在LED 散熱占據很大的市場。燈芯產生的熱量借助于散熱器以及空氣自然對流擴散到空氣中，具有結構簡單、輸入功率低、成本低以及壽命長等優點。不足點是鋁散熱器的導熱率比較低，只有270 W/(m·K)。銅散熱器的導熱系數雖高，但由于密度大導致過重，石墨散熱器和陶瓷散熱器的散熱效果很好，但由于價格昂貴一直沒有得到推廣。本文綜合石墨材料的高導熱率，將其與鋁散熱器的基底相結合。采用熱分析軟件 ANSYS ICEPAK 對其進行熱仿真分析。

1.1石墨烯導熱機理

圖 1 為石墨晶體的結構，每個碳原子都是以 sp2 雜化軌道與旁邊的其他三個碳原子形成化學共價單鍵，構成一個網狀的六元環結構，單層石墨烯就是結構就是由這些六元環結構連接而。在單層石墨烯結構中每個碳原子會剩余一個未被 sp2 雜化的 p 軌道，其中有一個 p 電子沒有配對，在單層石墨烯中，碳原子中的 m 電子組合成一個具有 m 中心 m 電子的大∏鍵，這些離域電子能夠在碳原子平面層中自由活動，因此石墨烯在層向具有良好的導熱導電性質性能，石墨單晶的平面導熱系數可達 2 200 W/(m·K)。另外，石墨還具有良好的機械性能、密度小、熱膨脹系數小等優點。因此，石墨烯的高導熱潛能將極大改善電子器件散熱問題^[4]，圖2是單層石墨烯結構圖。

圖1 石墨晶格結構

圖2 單層石墨烯結構

1.2 新型LED燈散熱結構

圖3為新型LED燈散熱結構的示意圖，從上往下依次為：LED 燈，散熱墊、銅板、導熱硅膠、石墨烯導熱介質、鋁散熱器。燈源為單顆5 W大功率燈珠，有效發光效率為 20%，發熱功率為 4 W，環境溫度為 25 ℃，散熱器采用鋁擠壓型材料，長寬均度為 6 cm，散熱器基底厚度為 2 mm，散熱翅片高度為 10 mm，厚度為 0.8 mm，共 24片肋片；石墨烯導熱介質平鋪并緊貼在散熱器基底的上表面，在這里忽略了石墨烯和散熱器之間的接觸熱阻，水平導熱系數為 2 200 W/(m·K)，垂直導熱系數為25 W/(m·K)^[6]。其中LED的基本傳熱路徑為：LED燈芯—散熱墊-銅板-石墨烯-散熱器-空氣。石墨烯具備優良的導熱性能，可將LED結溫快速均勻地傳導到散熱器表面，經過散熱器與空氣對流方式傳遞到空氣中。

圖3 新型單顆LED燈結構

為了滿足大功率LED的光照要求，比如路燈、車燈、背光屏等都是采用多顆LED模型。因此，為了充分研究石墨烯對LED燈散熱的效果以及燈之間的相互影響。在單顆LED燈結構的基礎上，增加燈珠個數、增大PCB板、散熱器尺寸以及散熱片數目，LED燈均勻排成陣列式，由四顆相同的LED燈均勻分布在PCB板上，其他的條件設置與單顆燈珠模型一致。模型如圖4所示。

圖4 四顆陣列式LED燈結構

為了便于分析比較，設置多組石墨烯厚度值。比較不同厚度石墨烯對降低結溫的效果，并由此得出最佳的石墨烯厚度。采用熱分析軟件ANSYS ICEPAK進行仿真分析。在 ICEPAK15.0 版本中建立 LED 散熱仿真模型，主要由LED 燈、導熱介質和散熱器組成?？紤]到 LED 內部熱阻是一穩定值，因此，把模型中每個 LED 看成一個熱源，忽略 LED 每部結構，將每個 LED 燈設置為溫度監控點。采用自然對流模式，空氣的自然對流系數取平均值7.5 W/(m·K)^[7]。室溫設置為 25℃，石墨烯水平導熱系數2 200 W/(m K)，垂直導熱系數為20 W/(m·K)，硅膠導熱墊水平導熱系數和垂直導熱系數均為4 W/(m·K)。

2.1 單顆燈珠的熱學仿真

圖5顯示的是單顆LED燈珠在無石墨烯時的模型仿真結果，可以得出結溫是103.321℃。圖6是在石墨烯厚度為300 μm 的仿真結果圖。通過設置不同石墨烯厚度進行仿真，結果如圖8所示，其中橫坐標為石墨烯厚度，縱坐標為溫度。

圖5 無石墨烯LED仿真結果

圖6 石墨烯500 μm 時LED仿真結果

2.2 多顆燈珠的熱學仿真

同理，可以得出陣列式LED的仿真結果圖。圖8顯示的是4顆LED燈珠在無石墨烯時的模型仿真結果，可以得出結溫是109.557 ℃。圖9是在石墨烯厚度為300 μm 的仿真結果圖。通過設置石墨烯不同厚度下的仿真，結果如圖10所示，其中橫坐標為石墨烯厚度，縱坐標為溫度。

圖7 不同石墨烯厚度的結溫值

圖8 無石墨烯LED仿真結果

圖9 石墨烯300 μm 時LED仿真結果

圖10 不同厚度石墨烯下的結溫值

2.3 仿真結果分析

從仿真結果的數據可知，不管是單顆燈珠還是多顆燈珠模型，石墨烯對LED散熱優化效果都比較理想，總體可以降低15 ℃~20 ℃左右，從圖3可得出，當石墨烯的厚度200 μm ～300 μm 之間時，結溫下降最多，可以達到18℃。其他的厚度可使溫度下降15℃。這是因為石墨烯過薄時，對于小模型的 LED 燈發出的熱量存儲熱量有限，LED產熱速度大于散熱速度，石墨烯來不及將熱量傳導至散熱器；隨著石墨烯厚度增加時，石墨烯的總體熱容量隨之增加，使溫度有所下降；當石墨烯厚度繼續增加，會導致熱阻增加，阻礙熱量的傳遞。從圖10可知石墨烯厚度對降低結溫的效果差異很小，因為此時石墨烯的面積足夠大，可以足夠存儲LED燈傳導出來的熱量。 

當忽略了石墨烯與散熱器之間粘接熱阻的情況下，在使用石墨烯材料加強散熱后，通過對單顆燈珠和多顆燈珠的仿真分析，可初步得出：石墨烯對降低LED結溫效果明顯，很有發展潛能。石墨烯散熱的效果和石墨烯的厚度之間關聯性較小。在考慮經濟性的原則下，當制造石墨烯納米材料工藝足夠成熟時，只需在散熱器基底鍍上納米厚度的石墨烯便可以改善散熱效果。實驗還對相同面積不同石墨烯形狀進行了溫度比對，發現形狀的改變對散熱效果的影響不大，圓形石墨烯比矩形石墨烯散熱效果稍微好點。

本文從石墨烯材料的散熱原理出發，將石墨烯與鋁散熱器基板上表面結合，通過熱仿真分析方法對兩種LED燈具模型進行熱仿真分析。通過分析仿真結果可得出：在散熱器基底上表面增加石墨烯材料后，由于石墨烯材料在平面二維方向上的的超高導熱率，能大力改善鋁散熱器結構的散熱效果，相比沒有使用石墨烯的LED燈模型，使用石墨烯材料可使 LED 結溫降低 15℃以上。在納米厚度級別下，不同厚度石墨烯的散熱效果相差不大，因此，在考慮經濟的前提下，只需在散熱器基底鍍上一層很薄的石墨烯即可改善散熱效果,這將為LED散熱在石墨烯材料的實際應用中，要想充分發揮石墨烯的高熱導率對LED結溫的改善作用必須進一步研究石墨烯材料與金屬材料的結合形式。