馬湘君 吳禮剛 戴世勛 李繼亮 周伯友 白坤 鄭兆勇

(1寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江 寧波 315211;2.寧波大學(xué) 機械工程與力學(xué)學(xué)院，浙江 寧波 315211;3.賽爾富電子有限公司，浙江 寧波 315103)

1 引言

近年來，隨著大功率高亮度白光LED的發(fā)展，LED的應(yīng)用已經(jīng)從早年的指示、顯示和室外景觀裝飾走向室內(nèi)普通照明時代。目前，室內(nèi)白光照明主要通過多顆1～3W［1］的白光LED芯片組合成超大功率LED陣列來實現(xiàn)。

在當(dāng)前技術(shù)水平下，大功率LED工作過程中只有10% ～20%的電能轉(zhuǎn)化為光能［2］。例如，若LED輸入功率為2.5W，芯片面積為1mm×1mm，按照80%的電能轉(zhuǎn)化為熱能，則有2W左右的電能轉(zhuǎn)化成熱量，其芯片熱流密度達(dá)到了200W/cm2。如此高的熱流密度，如不采取有效的散熱措施，會導(dǎo)致芯片溫度升高，發(fā)光效率降低，以及波長漂移，顯色指數(shù)下降等一系列后果，進(jìn)而縮短LED的正常工作壽命［3］。因此，對大功率LED燈具的散熱優(yōu)化具有重要的實際應(yīng)用意義。

目前國內(nèi)外在解決大功率LED器件散熱途徑方面已有諸多報道。例如:Jianzheng Hu等［4～6］設(shè)計了陶瓷封裝的熱通孔熱沉結(jié)構(gòu)。H.K.Ma等［7］設(shè)計了蜂窩狀熱沉結(jié)構(gòu)。M.Y.Tsai等［8］研究了芯片 COP封裝法的性能，并與Lumiled和Cree公司的封裝產(chǎn)品進(jìn)行了性能對比，同時討論了器件封裝中芯片襯底、芯片粘結(jié)劑、內(nèi)部熱沉等對芯片溫度影響的大小。華中科技大學(xué)的劉勝等［9、10］主要研究微噴水冷主動散熱結(jié)構(gòu)。浙江大學(xué)的王德苗等［11］提出了薄膜封裝法，并與PCB封裝技術(shù)進(jìn)行了性能對比。但這些研究多集中于LED器件的散熱研究，對LED燈具的被動散熱研究涉及很少。

本文針對15W大功率LED筒燈建立了有限元數(shù)值模型，計算其穩(wěn)態(tài)溫度場分布，計算結(jié)果與溫度實驗測試結(jié)果吻合。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析比較了PCB板導(dǎo)熱率、導(dǎo)熱膠導(dǎo)熱率和芯片位置等因素對LED燈具散熱效果的影響。

2 大功率LED筒燈的溫度場計算

2.1 六芯LED筒燈幾何模型

LED燈具的封裝結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。建立模型時，在實際燈具結(jié)構(gòu)尺寸的基礎(chǔ)上，刪除了對結(jié)果影響不大的圓角，小孔和部分細(xì)微不規(guī)則的突起。簡化后的模型從上到下依次為:熱流加載面、陶瓷襯底、銅、錫漿、MCPCB、導(dǎo)熱硅脂、鋁制散熱器。

圖1 六芯LED筒燈結(jié)構(gòu)模型

6顆功率均為2.5W的白光LED芯片依圓對稱貼裝在圓形金屬線路板上。金屬線路板與鋁制散熱器間用導(dǎo)熱硅脂膠合。其中鋁制散熱器總共有24個肋片，呈圓形對稱分布，每顆芯片對應(yīng)4個肋片，芯片位于兩肋片之間，肋片上端厚3.0mm，下端厚1.4mm，在鋁制散熱器中心設(shè)有一個圓錐通孔。

由于燈具結(jié)構(gòu)具有周期對稱性，可用1/6模型進(jìn)行簡化分析，這樣也可以減少有限元網(wǎng)格的節(jié)點數(shù)，提高運算速度。

2.2 有限元仿真計算

功率為2.5W的單芯片，按照20%的電光轉(zhuǎn)換效率，則每個芯片的熱耗散功率約為2W，加載在1mm×1mm的芯片有源層上，熱流密度為1.4×106W/m2。根據(jù)空氣自然對流系數(shù)及燈具實際工作狀態(tài)，將燈具內(nèi)部對流系數(shù)取為3W/(m2·k)，外部對流系數(shù)取為 5 W/(m2·k)［12］。燈具的工作環(huán)境溫度為35℃，燈具中各種材料導(dǎo)熱系數(shù)見表1。

表1 LED燈具中各種材料導(dǎo)熱系數(shù)

通過有限元仿真計算，獲得LED燈具的穩(wěn)態(tài)溫度分布如圖2所示，從中可以看出，陶瓷基板的最高溫度達(dá)到了110.0℃。因為芯片體積很小，一般來說，芯片結(jié)溫與陶瓷基板最高溫度相差會很小，因此可以認(rèn)為陶瓷基板上的最高溫度即為芯片結(jié)溫。圖2中也可看出芯片散熱引腳溫度范圍為75.5～79.8℃。根據(jù)技術(shù)規(guī)格書，在700mA恒流下工作，若LED芯片結(jié)溫在125℃以下，芯片的壽命可以達(dá)到60，000小時。因此，根據(jù)該壽命設(shè)計需要，LED芯片結(jié)溫不超過125℃即可。

圖2 大功率LED燈具的穩(wěn)態(tài)溫度分布圖

3 溫度實驗測量

對大功率LED燈具進(jìn)行了溫度測量實驗。實驗中，燈具的工作環(huán)境溫度設(shè)為35℃，LED的正向電流為700mA，正向電壓為3.4V，測得 LED芯片散熱引腳溫度Ts為75.0℃。根據(jù)技術(shù)規(guī)格書可得LED結(jié)點到可焊性散熱引腳的熱阻值 Rj－s=16℃/W。由公式［1］(1)

可得出LED芯片的結(jié)溫值

結(jié)溫仿真值與實驗計算值的相對誤差為2.6%。

4 影響FEM結(jié)果的因素分析

4.1 MCPCB絕緣層的影響

MCPCB的結(jié)構(gòu)如圖3所示，其散熱效果與銅層和金屬層厚度及絕緣介質(zhì)的導(dǎo)熱性有關(guān)。一般采用35μm銅層及1.5mm鋁合金的 MCPCB。絕緣介質(zhì)的導(dǎo)熱率目前在1～10之間，通過對10種不同的絕緣層導(dǎo)熱率情況進(jìn)行有限元計算，對比分析出MCPCB的導(dǎo)熱率對燈具散熱性能的影響情況如圖4。從圖中可以看出，當(dāng)絕緣介質(zhì)導(dǎo)熱率從1W/(m·k)提高到4 W/(m·k)時，可以使燈具的芯片結(jié)溫降低10℃左右，降低了8.6%。然而，當(dāng)絕緣介質(zhì)導(dǎo)熱率從4 W/(m·k)提高到10 W/(m·k)時，燈具芯片結(jié)溫卻僅下降了1.9%。所以，通過對比可見隨著MCPCB絕緣介質(zhì)導(dǎo)熱率達(dá)到一定程度，燈具芯片結(jié)溫下降變慢。所以不能總是通過提高M(jìn)CPCB絕緣介質(zhì)的導(dǎo)熱率來提高LED燈具的熱性能。而且提高M(jìn)CPCB絕緣介質(zhì)的導(dǎo)熱率會大大增加燈具的生產(chǎn)成本。

圖3 MCPCB結(jié)構(gòu)圖

圖4 不同導(dǎo)熱率的MCPCB絕緣層FEM模擬結(jié)果

4.2 導(dǎo)熱膠導(dǎo)熱率的影響

導(dǎo)熱膠具有傳導(dǎo)熱量、固定及絕緣作用。基于導(dǎo)熱膠的導(dǎo)熱系數(shù)的差異進(jìn)行有限元分析如圖5所示。從圖中可以看出，當(dāng)導(dǎo)熱膠導(dǎo)熱率從2 W/(m·k)提高到6 W/(m·k)時，有限元計算燈具芯片結(jié)溫降低了1.2℃;而當(dāng)導(dǎo)熱率從6 W/(m·k)提高到10 W/(m·k)時，芯片結(jié)溫僅僅降低了0.4℃。

圖5 不同材料導(dǎo)熱率的導(dǎo)熱膠FEM模擬結(jié)果

4.3 芯片擺放位置差異的影響

大功率LED燈具封裝中，芯片的擺放位置對芯片結(jié)溫也有影響。當(dāng)芯片位于兩肋片之間時，芯片結(jié)溫為110.0℃;當(dāng)芯片位于肋片正上方時，如圖6所示，芯片結(jié)溫上升為112.3℃。導(dǎo)致溫度上升的可能原因，如圖7所示。當(dāng)芯片位于兩肋片之間時，芯片發(fā)出的熱量通過MCPCB后，基本均勻地分配給兩肋片進(jìn)行散熱;而當(dāng)芯片位于肋片正上方時，芯片發(fā)出的熱量通過MCPCB后，大部分熱量直接通過位于芯片正下方的肋片進(jìn)行散熱，導(dǎo)致燈具整體的肋片散熱效率降低，芯片結(jié)溫升高。

圖6 芯片位于肋片正上方

圖7 不同芯片布置的散熱途徑

5 結(jié)論

本文針對15W大功率LED筒燈建立了有限元數(shù)值模型，計算得到其穩(wěn)態(tài)溫度場分布，計算結(jié)果與溫度實驗結(jié)果吻合，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析比較了MCPCB導(dǎo)熱率、導(dǎo)熱膠導(dǎo)熱率和芯片位置對LED燈具散熱效果的影響。結(jié)果表明:

1)當(dāng)MCPCB絕緣介質(zhì)導(dǎo)熱率達(dá)到大約4 W/(m·k)后，燈具芯片結(jié)溫隨之變化很小，因此不能總是通過提高M(jìn)CPCB絕緣介質(zhì)的導(dǎo)熱率來提高LED燈具的熱性能。

2)當(dāng)導(dǎo)熱膠導(dǎo)熱率從2 W/(m·k)提高到6 W/(m·k)時，有限元計算燈具芯片結(jié)溫降低了1.2℃，對燈具散熱和結(jié)溫有一些影響;而當(dāng)導(dǎo)熱率從6 W/(m·k)提高到10 W/(m·k)時，芯片結(jié)溫僅僅降低了0.4℃，對結(jié)溫影響不大，這是由于導(dǎo)熱膠材料層非常薄，導(dǎo)熱率的提高對其的散熱能力影響不大。

3)芯片位于兩肋片中間位置時的散熱效果比芯片位于肋片正上方的散熱效果好，前者比后者結(jié)溫降低2.3℃。

有限元分析結(jié)果為大功率LED燈具的散熱優(yōu)化設(shè)計提供了重要的參考依據(jù)，對燈具的實際工程開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

［1］戴維德．大功率 LED的散熱設(shè)計 ［J］．今日電子，2007，172:65～68．

［2］吳慧穎，錢可元，胡飛．倒裝大功率白光LED熱場分析與測試 ［J］．光電子·激光，2005，16(5):511～514．

［3］錢可元，鄭代順，羅毅．GaN基功率型LED芯片散熱性能測試與分析 ［J］．半導(dǎo)體光電，2006，27(3):236～239．

［4］Jianzheng Hu，Lianqiao Yang，and Moo Whan Shin．Thermal and mechanical analysis of high-power LEDs with ceramicpackages［J］． IEEE TRANSACTIONS ON DEVICEAND MATERIALSRELIABILITY， 2008， 8(2):297～303．

［5］Lianqiao Yang，Jianzheng Hu，Sunho Jang，et al．Thermal design of ceramic．packages for high power light-emitting diodes ［J］．Semicond．Sci．Technol，2007，22:705 ～708．

［6］Lianqiao Yang，Sunho Jang，Woongjoon Hwang，et al．Thermal analysis of high．power GaN-based LEDs with ceramic package ［J］．Thermochimica acta，2007，455:95～99．

［7］H.K.Ma，B.R.Chen，H.W.Lan，et al．Study of an LED device with a honeycomb heat sink［C］．26thIEEE SEMI-THERM Symposium，2010:289～298．

［8］M．Y．Tsai，C．H．Chen，and C．S．Kang，Thermal ansyses and measurements of low-cost COP package for high-power LED ［C］．2008 Electronic components and technology conference，2008:1812 ～1818．

［9］袁柳林，劉勝．大功率LED封裝散熱技術(shù)研究 ［D］．武漢:華中科技大學(xué)，2007．

［10］周波，劉勝．大功率白光 LED封裝技術(shù)研究 ［D］．武漢:華中科技大學(xué)，2007．

［11］王耀明，王德苗，蘇達(dá)．大功率 LED的散熱封裝［J］．江南大學(xué)學(xué)報，2009，8(1):58～61．

［12］饒連江．基于 ANSYS的 LED燈具熱分析 ［J］．照明工程學(xué)報，2010，21(1):53～57