重慶郵電大學(xué) 蔡雪梅 金 濤

1.前言

目前市場上比較成熟的商品化功率型LED輸入功率一般為1W，芯片的面積為1mm×1mm，其熱流密度達到了100W/cm2[1]。隨著芯片科技的日益成熟，單個LED芯片的輸入功率可以提高到5W甚至更高[2]。如果熱量集中在很小的芯片內(nèi)而不能有效散出，則會導(dǎo)致芯片溫度升高，引起熱應(yīng)力的非均勻分布、芯片發(fā)光效率和熒光粉轉(zhuǎn)換效率下降等一系列問題。

目前大功率LED芯片的應(yīng)用越來越多，資料顯示大功率LED只能將約10%—15%的輸入功率轉(zhuǎn)化為光能，而將其余的85%—90%轉(zhuǎn)化為熱能[3]。

肋片散熱器是電子器件散熱廣泛采用的散熱方式[4]，按引起流動的原因而論，可分為強制對流散熱器和自然對流散熱器；按散熱器上擴展表面的形狀，可分為等截面直肋、針肋、環(huán)肋和套片式；按肋片的排列方式，可分為串聯(lián)排列和交錯排列；按制作材料，可分為銅和鋁合金散熱器[5]，肋片的研究，國內(nèi)外專家和學(xué)者做了大量的實驗和研究，主要從增加增加熱源與環(huán)境接觸面積、減少芯片與散熱器間接觸熱阻和提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)三方面考慮。

由于對LED散熱器體積和噪聲等方面的要求，本文采用自然對流的方式對LED肋片散熱器進行仿真分析。

2.LED模型的建立

散熱基板采用鋁制基板。采用芯片下方直接與銅熱沉接觸，更利于散熱如表一所示。

3.LED等距排列的有限元分析

將LED散熱器14等分，含有15個肋片，單個肋片的厚度是1mm（如圖1所示）。

定義邊界條件，芯片產(chǎn)生的熱量一部分通過金屬基板和散熱器向空氣中散熱，另一部分則通過對流和熱輻射的形式穿過封裝殼內(nèi)部空間，達到外殼側(cè)壁和頂部的內(nèi)表面，再通過導(dǎo)熱的形式傳遞到外表面，由于封裝材料導(dǎo)熱能力差，計算時將這部分散熱忽略[6]。因此，我們將封裝材料封裝的芯片表面、粘結(jié)材料表面和基板的部分表面都定義為絕熱表面，其余定義為自然對流壁面。

圖1

假設(shè)周圍的環(huán)境溫度是30℃，對流模式為空氣自然對流，透鏡的外表面熱傳遞系數(shù)是5W/(mk)，散熱器底面的散熱系數(shù)是10W/(mk)。1W的LED功率施加在1mm×1mm×0.25mm的LED芯片上，假設(shè)有85%的能量以熱量的形式散出，則產(chǎn)生的熱流密度是3.4×109W/m3。為了簡化模型，不考慮封裝過程中的各層之間的附加接觸熱阻。表一為芯片LED封裝所使用的材料以及尺寸和熱導(dǎo)率的大小。

實驗的仿真溫度與論文大功率LED散熱研究及散熱器設(shè)計的溫度一樣，該論文的仿真溫度為37.3℃，驗證了仿真的正確性。

開初談的是衣服怎樣穿，穿什么樣的顏色的，穿什么樣的料子。比如走路應(yīng)該快或是應(yīng)該慢，有時白天里她買了一個別針，到夜里她拿出來看看，問我這別針到底是好看或是不好看，那時候，大概是十五年前的時候，我們不知別

表一 不同材料下導(dǎo)熱系數(shù)與尺寸

4.定義4種類型的不同疏密度的肋片散熱器如圖2-5所示

圖2 類型Ι

圖3 類型Ι Ι

圖4 類型Ι Ι

圖5 類型Ⅳ

表二 不同坐標(biāo)下模型的最低和最高溫度

表三 正交試驗表

表四 散熱器中心肋片的厚度對試驗指標(biāo)的極差分析表

表五 橫向?qū)崞暮穸葘υ囼炛笜?biāo)的極差分析表

表六 橫向?qū)崞膶挾葘υ囼炛笜?biāo)的極差分析表

表七 四種不同疏密度的散熱器對試驗指標(biāo)的極差分析表

5.散熱器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計一

對于中間密集兩邊疏散的肋片分布，有效的提高了散熱性能。為了提高散熱器熱量的橫向傳輸能力，該實驗設(shè)計了一個橫向的導(dǎo)熱肋片來增強兩邊肋片與中間肋片的熱傳導(dǎo)。理論公式如下：

對于增加的橫向?qū)崞奈恢茫瑢嶒灧譃橐韵聨追N情況，結(jié)果如下：

假設(shè)橫向?qū)崂咂膶挾仁?0mm，厚度是2mm，長度是35mm，其他參數(shù)尺寸不變。以散熱器中心部位的底面作為坐標(biāo)中心，X和Y分別是相對于原點的Z軸上的坐標(biāo)。(X-Y)是橫向?qū)崂咂暮穸取?/p>

由表二可以看出，當(dāng)導(dǎo)熱肋片處于（1-3）和（5-7）位置的時候，LED芯片的溫度有所下降。而在（1-3）的時候，芯片的最低溫度和最高溫度都有明顯的降低。散熱設(shè)計的時候，應(yīng)選擇（1-3）范圍內(nèi)。

圖6

圖7

6.散熱器參數(shù)化設(shè)計二

正交實驗設(shè)計法具有完成實驗要求所需的試驗次數(shù)少、數(shù)據(jù)點分布均勻、可用相應(yīng)的極差分析方法對試驗結(jié)果進行分析等優(yōu)點[8]。

本實驗采用正交試驗對散熱器的中心肋片的厚度、橫向?qū)崂咂暮穸?、橫向?qū)崂咂膶挾纫约八姆N不同疏密度的肋片散熱器進行優(yōu)化設(shè)計，把以上影響散熱器散熱性能的4個參數(shù)作為因素，每個因素取4個水平，以模型的最高溫度為指標(biāo)，采用正交標(biāo)L15(44)模擬實驗，結(jié)果如表三所示。(表三單位都是mm)。

根據(jù)正交試驗表中的數(shù)據(jù)，將以上四個因素對試驗指標(biāo)的極差進行統(tǒng)計分析。結(jié)果如表四至七所示：

（1）四個影響因素對LED散熱器最高溫度的影響由大到小依次為：橫向?qū)崞暮穸取M向?qū)崞膶挾?、散熱器中心肋片的厚度、散熱器散熱肋片的疏密度?/p>

（2）散熱器中心肋片的厚度在不影響周圍自然對流系數(shù)的前提下，中心肋片的厚度越厚，散熱效果越好。但是也不能無限制的增加厚度，這樣會降低散熱器肋片的數(shù)目，從而影響散熱效果。

（3）對于解決方案中增加的橫向?qū)崂咂?，隨著導(dǎo)熱肋片厚度的增加，芯片溫度開始增加，不利于散熱。主要原因在于橫向?qū)崂咂暮穸葧ι崞鞯臒嶙柙斐梢欢ǖ挠绊?，從而降低散熱效果?/p>

（4）散熱器并不是中間越密集，兩邊越稀疏散熱效果越好，因為再增加中間的肋片密集度的時候，兩邊的肋片數(shù)目相對減少，也會對散熱產(chǎn)生影響。

（5）通過以上綜合分析，在散熱器中增加橫向?qū)崂咂强尚械模欣谏帷?/p>

實驗仿真表明：

對于同樣翅片數(shù)目的時候，中間密兩邊疏可以有效降低芯片結(jié)溫。

根據(jù)這一實驗結(jié)果，對方案進行優(yōu)化，從以下兩個方面入手：

（1）通過增加中心區(qū)域的肋片的厚度，來提高溫度的豎直傳導(dǎo)能力。

（2）通過增加橫向的傳導(dǎo)翅片，設(shè)定相關(guān)的尺寸，來有效提高溫度的橫向傳導(dǎo)能力。

7.散熱器非等距肋片的優(yōu)化設(shè)計

在16次的實驗當(dāng)中，可以得知第13次試驗的溫度最低，即：散熱器中間肋片的厚度是2mm，橫向?qū)崞暮穸仁?mm，橫向?qū)崞膶挾仁?5mm，選擇散熱器類型Ⅱ。結(jié)果如圖6所示：

結(jié)合工程的需求[9]、散熱器的質(zhì)量以及芯片間的熱對流等因素，優(yōu)化以后的散熱效果如圖7所示：

8.結(jié)束語

本文歸納總結(jié)了當(dāng)前熱門的肋片散熱器的散熱方案，并使用了ANSYS有限元分析法對處于不同參數(shù)下的散熱器進行了仿真和熱分析，發(fā)現(xiàn)肋片的疏密度以及自身大小對LED散熱影響是相輔相成的，所以本文中采用了正交實驗法來進行優(yōu)化設(shè)計。我的目標(biāo)是散熱設(shè)計的散熱器質(zhì)量比現(xiàn)有的等距排列質(zhì)量要??；設(shè)計的散熱器是芯片最高溫度降低幅度在10℃左右。(散熱器中間肋片的厚度是2mm，橫向?qū)崞暮穸仁?mm，橫向?qū)崞膶挾仁?mm，選擇散熱器類型Ⅱ。)

[1]J.Richard Culham and Yuri S.Muzychka,Optimization of Plate Fin Heat Sinks Using Entropy Generation Minimization,IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies,Vol.24,No.2,June 2001.pp.159-165.

[2]馬澤濤,朱大慶,王曉軍.一種高功率LED封裝的熱分析[J].光電器件,2006,2.

[3]劉紅.集成式大功率LED路燈散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計.

[4]戴煒鋒,王琚,李越生.大功率LED封裝的溫度場和熱應(yīng)力分布的分析[J].半導(dǎo)體光電,2008(29):324-328.

[5]李玉強,王陽,生南南,等.大功率LED路燈新型散熱器的開發(fā)[J].2010,4:45-46.

[6]張雪粉.大功率LED散熱研究及散熱器設(shè)計[D].天津大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007.

[7]高一博.直肋自然對流散熱器的優(yōu)化研究[J].華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2008.

[8]張成敬,王青春.一種高功率白光LED燈具的封裝熱設(shè)計研究[J].電子工藝技術(shù),2007,28(5):257-260.

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