铜和银涂层铝散热片对COB LED热管理运行性能的影响

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Effects of copper and silver coated aluminum heat sink on operating performance for COB LED thermal management

COB LED热沉表面镀铜银电解液涂层厚度优化研究，通过实验与ANSYS模拟分析，发现铜镀层25μm和银镀层10μm时热阻最低、结温最优，光输出效率提升显著，且理论计算与实测数据高度吻合，为LED热管理提供新方案。

　　LED照明技术因其高光通量和长寿命特性，正在迅速普及。LED不仅能够以较低的能耗提供稳定的亮度，还具备超过10万小时的使用寿命、无限次的开关循环、即开即亮的特性、可调节亮度以及能够发出全光谱范围内的各种颜色。这些优点使得LED在能源效率和环保方面具有显著优势，同时也对LED的热管理提出了更高要求。随着LED技术的进步，LED的工作温度逐渐成为影响其性能和寿命的关键因素。为了解决这一问题，各种热管理方法被开发出来，包括热界面材料（TIM）、散热器、热电冷却器、热管、空气冷却和液体冷却等。其中，散热器作为LED散热的主要手段，其设计和性能直接影响LED的运行效果。

特别是在照明应用中广泛使用的芯片板（COB）LED，由于其高电流密度，对散热的要求尤为严格。COB LED的热量通过散热器进行有效散发，从而降低LED结温，延长使用寿命并提高光输出。因此，散热器的热传导性能和光学特性成为影响COB LED整体性能的重要因素。散热器的表面积越大，通常意味着更优的散热效果，这不仅有助于降低LED封装和连接处的温度，还能提升整体的光输出。此外，散热器中引入的通道结构，如微型或微通道，已成为一种有效的冷却技术，有助于将温度控制在安全范围内。其中，微通道散热器因其紧凑的设计和较高的热传导系数，被广泛应用于高功率LED的散热系统中。

在相同的散热器尺寸下，波纹状通道相比直通道具有更长的通道长度和更好的温度均匀性，这使得其在热管理方面表现出色。文献中对多种散热器结构进行了研究，包括正弦波形、梯形、三角形、圆形、四分之一形、蛇形、肋沟形、收敛-发散形、中断式和混合式通道等。混合式设计通过优化流体动力学性能，显著提高了热传导效率。然而，尽管已有大量研究关注于热界面材料（TIM）的涂层厚度变化，但关于电解涂层在COB LED散热器中的应用尚未见报道。

本研究的主要创新点在于以下几个方面：首先，首次将电解涂层应用于COB LED散热器的热管理研究中，为该领域的技术发展提供了新的思路。其次，本研究专注于纯铜（Cu）和纯银（Ag）涂层的性能分析，填补了相关研究的空白。第三，通过实验方法，系统地研究了不同厚度电解涂层对散热器热传导性能的影响，为实际应用提供了科学依据。第四，尽管已有大量研究关注于低功率表面贴装（SMD）LED的热管理，但本研究是少数关注于COB LED的案例之一，具有重要的现实意义。最后，本研究采用了两种不同的理论计算方法（热阻和对流-辐射传热）以及ANSYS模拟软件进行热分析，所有结果均与实验数据保持高度一致，为后续研究提供了可靠的数据支持。

在材料选择方面，本研究采用了两种常见的铝合金：Etil 150和6063。这两种合金因其良好的导热性和机械强度，被广泛用于散热器制造。为了进一步提高散热器的热传导性能，研究人员在散热器表面应用了不同厚度的电解涂层。涂层厚度分别为10、25和40微米，分别对应于铜和银两种材料。通过实验测试和理论计算，研究人员评估了不同涂层厚度对COB LED运行性能的影响。实验结果显示，不同厚度的涂层能够有效降低总热阻和结温，同时提高光输出水平。这表明，涂层的优化对于提升COB LED的热管理效果具有重要作用。

研究还探讨了涂层成本、最优涂层厚度与COB LED-散热器组合的相关性分析，以及几何参数对散热器热传导和性能的影响。通过这些分析，研究人员能够更全面地理解不同因素如何共同作用于散热器的热管理性能。例如，涂层的厚度不仅影响热传导效率，还可能对散热器的整体成本产生影响。因此，在选择最优涂层厚度时，需要综合考虑热性能和经济性。此外，几何参数如散热器的形状、尺寸和通道结构也对热传导和LED性能产生重要影响，这为散热器设计提供了更多的优化方向。

在实验过程中，研究人员首先验证了ANSYS模拟软件和两种不同的理论计算方法（热阻和对流-辐射传热）在热分析中的准确性。通过实验测试，理论计算和模拟结果均与实际数据高度一致，表明这些方法在评估散热器性能方面具有可靠性。随后，研究人员基于实验数据，对不同厚度的电解涂层在散热器上的应用效果进行了详细分析。结果显示，对于铜涂层散热器，最优厚度为25微米，而对于银涂层散热器，最优厚度为10微米。这一结论不仅为实际应用提供了指导，也为未来的研究奠定了基础。

研究进一步指出，不同厚度的涂层能够显著改善散热器的热传导性能，降低LED结温，从而延长其使用寿命并提高光输出。此外，涂层材料的选择也对散热效果产生重要影响。例如，铜和银因其优异的导热性，成为理想的涂层材料。然而，涂层厚度的优化是关键，过厚的涂层可能导致成本增加，而过薄的涂层则可能无法提供足够的热传导效果。因此，研究人员通过实验和理论分析，确定了不同材料的最佳涂层厚度，为实际应用提供了科学依据。

在实际应用中，散热器的设计和材料选择需要综合考虑多种因素。除了涂层厚度，散热器的几何参数如通道形状、尺寸和分布也对热传导和LED性能产生重要影响。例如，波纹状通道相比直通道能够提供更长的通道长度和更好的温度均匀性，从而提高散热效率。此外，散热器的表面积越大，通常意味着更好的散热效果，这有助于降低LED封装和连接处的温度，从而提升整体的光输出。因此，在设计散热器时，需要平衡这些因素，以达到最佳的热管理效果。

本研究的结果表明，电解涂层在COB LED散热器中的应用具有重要的潜力。通过优化涂层厚度，可以显著改善散热器的热传导性能，降低结温并提高光输出。此外，研究还强调了不同材料和涂层厚度对散热效果的影响，为实际应用提供了具体的建议。例如，对于铜涂层散热器，25微米的厚度被认为是最佳选择，而对于银涂层散热器，10微米的厚度更为合适。这些结论不仅有助于提升COB LED的性能，也为散热器的设计和制造提供了新的方向。

总的来说，本研究通过实验和理论分析，揭示了电解涂层在COB LED散热器中的重要作用。研究结果表明，不同厚度的涂层能够有效降低总热阻和结温，提高光输出水平。同时，研究还探讨了涂层成本、最优厚度与LED-散热器组合的相关性，以及几何参数对热传导和性能的影响。这些发现不仅为LED热管理技术的发展提供了新的思路，也为实际应用中的散热器设计和制造提供了科学依据。未来的研究可以进一步探索不同涂层材料和厚度的组合效果，以及如何通过优化散热器结构来提升整体热管理性能。