大功率LED散熱仿真分析

摘要：考慮熱導(dǎo)率與散熱方式的影響，使用大型有限元軟件ANSYSl0.0模擬并分析了大功率LED熱分布。通過分析不同封裝、熱沉材料及散熱方式對(duì)LED熱分布與最大散熱能力的影響，指出解決LED散熱問題的關(guān)鍵不是尋找高熱導(dǎo)率的材料，而是改變LED的散熱結(jié)構(gòu)或者散熱方式。
關(guān) 鍵 詞：大功率LED；散熱；有限元法(FEM)；熱導(dǎo)率

1 引言
    目前，很多功率型LED的驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到70 mA、100 mA甚至1 A，這將會(huì)引起芯片內(nèi)部熱量聚集，導(dǎo)致發(fā)光波長(zhǎng)漂移、出光效率下降、熒光粉加速老化以及使用壽命縮短等一系列問題。業(yè)內(nèi)已經(jīng)對(duì)大功率LED的散熱問題作出了很多的努力：通過對(duì)芯片外延結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，使用表面粗化技術(shù)等提高芯片內(nèi)外量子效率，減少無輻射復(fù)合產(chǎn)生的晶格振蕩，從根本上減少散熱組件負(fù)荷；通過優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)、材料，選擇以鋁基為主的金屬芯印刷電路板(MCPCB)，使用陶瓷、復(fù)合金屬基板等方法，加快熱量從外延層向散熱基板散發(fā)。多數(shù)廠家還建議在高性能要求場(chǎng)合中使用散熱片，依靠強(qiáng)對(duì)流散熱等方法促進(jìn)大功率LED散熱。盡管如此，單個(gè)LED產(chǎn)品目前也僅處于1～10 W級(jí)的水平，散熱能力仍亟待提高。相當(dāng)多的研究將精力集中于尋找高熱導(dǎo)率熱沉與封裝材料，然而當(dāng)LED功率達(dá)到lO W以上時(shí)，這種關(guān)注遇到了相當(dāng)大的阻力。即使施加了風(fēng)冷強(qiáng)對(duì)流方式，犧牲了成本優(yōu)勢(shì)，也未能獲得令人滿意的變化。
    討論在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)、LED封裝及熱沉材料熱導(dǎo)率等因素變化對(duì)于其最大功率的影響，尋找影響LED散熱的關(guān)鍵因素。研究方法為有限元熱分析法．該方法已有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了LED有限元模型與其真實(shí)器件之間的差別，證明其在誤差許可范圍內(nèi)是準(zhǔn)確可行的。

2 建立模型
2．1 有限元熱分析理論
    三維直角坐標(biāo)系中的瞬態(tài)溫度場(chǎng)場(chǎng)變量T(x，y，z，t)滿足：

   
式中：T/x，T/y，T/z為沿x，y，z方向的溫度梯度；λxx,λyy，λzz為熱導(dǎo)率；q0為單位體積的熱生成；ρc是密度與比熱容的乘積：dT/dt為溫度隨時(shí)間的變化率。

   
    式中：Vx，Vy,Vz為媒介傳導(dǎo)速率。
    對(duì)于穩(wěn)態(tài)熱分析而言，T/t=0，式(1)可化簡(jiǎn)為：

   
    根據(jù)式(3)、邊界條件與初始條件，利用迭代法或者消去法求解，得出熱分析結(jié)果。
2．2 幾何模型的建立
    圖1為依據(jù)常見1 w大功率LED尺寸建立并簡(jiǎn)化、海鷗翼封裝鋁熱沉的大功率LED圖形，底座接在MCPCB鋁基板上。主要數(shù)據(jù)：芯片尺寸為1 mm×1 mm×O.25 mm，透鏡為直徑是13 mm的半球。硅襯底為邊長(zhǎng)17 mm，高0.25 mm的正六棱柱，MCPCB為直徑20 mm，高1.75 mm的六角星形鋁質(zhì)基板。

2．3 有限元模型的建立
    模型采用ANSYSl0.0計(jì)算，為方便分析，假設(shè)模型：
    LED輸入功率為1 W，光效率取10％；封裝體外部的各組件(包括MCPCB、陶瓷封裝、熱沉的外部)通過與空氣的對(duì)流散熱；器件與外界的熱對(duì)流系數(shù)為20。工作環(huán)境溫度為25℃；器件滿足使用ANSYS軟件進(jìn)行穩(wěn)態(tài)有限元熱分析的條件；最大結(jié)溫選擇為125℃。各種材料的參數(shù)如表1所示。

3 分析各種因素對(duì)于散熱能力的影響
3.1 熱輻射系數(shù)對(duì)LED散熱的影響
    圖2為表面黑度為0.8時(shí)的溫度云圖。根據(jù)斯蒂芬-玻耳茲曼定律，輻照度j*與溫度T之間的關(guān)系：j*=εσT4。其中ε為黑體的輻射系數(shù)；σ=5.67×10-8w／(m2·k4)，稱為斯蒂芬-玻耳茲曼常數(shù)。因此可知，溫度越高，輻照度越大。當(dāng)輸入功率為1 W時(shí)，經(jīng)由表面輻射散出的熱能為7.63×10－4W，僅占總熱功率的1.63‰；功率達(dá)到2 W時(shí)，經(jīng)輻射散出的熱能也僅占6.33‰。因此改變熱輻射系數(shù)對(duì)于提高散熱能力改善成效不大，散熱的關(guān)鍵在于提高另外兩種散熱方式：熱傳遞和熱對(duì)流。盡管如此，仍有一些廠家將LED器件的外表面涂成黑色，以期最大限度地利用輻射散熱。

3．2 熱導(dǎo)率對(duì)LED的散熱的影響
    只考慮熱傳導(dǎo)與對(duì)流，改變不同封裝填充材料如硅樹脂．得出結(jié)果，如圖3所示。即使找到一種熱導(dǎo)率高達(dá)7 Wm-1K-1的環(huán)氧樹脂成分封裝材料時(shí)，相比使用熱導(dǎo)率為0.25 Wm-1K-1的環(huán)氧樹脂成分封裝材料時(shí)，芯片溫度下降不多，鋁基板溫度只下降了2.271℃，最大功率僅提高了0.69 W。實(shí)際上，熱導(dǎo)率值超過7Wm-1K-1以上、可商業(yè)化的透明硅樹脂封裝材料目前尚無文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。分布云圖如圖4所示。

    表2給出透鏡熱導(dǎo)率為0.2 Wm-1K-1時(shí)，不同熱沉材料的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)于LED最大功率影響。由表2看出，熱沉材料對(duì)于LED的最大散熱能力的影響很小。

    綜上所述，熱導(dǎo)率變化對(duì)LED最大功率影響微弱。
3．3 增加散熱面積對(duì)LED散熱的影響
    表3為3種不同散熱方式對(duì)LED的溫度分布、最大功率的影響?？梢钥闯觯黾由崦娣e是很好的散熱方式，可以輕易地提高LED器件散熱能力，這是目前LED產(chǎn)品所普遍使用的散熱方式之一。然而缺點(diǎn)也很明顯：影響成本、增加產(chǎn)品重量、影響封裝密度。無限度地提高LED散熱片面積顯然不現(xiàn)實(shí)，因此一般使用1.5inch2散熱片提升LED產(chǎn)品最大功率至10 W左右，出于成本等因素就不能繼續(xù)提高。

3．4 對(duì)流方式對(duì)LED散熱的影響
    常見對(duì)流散熱方式有兩種：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。固定結(jié)構(gòu)的散熱與表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)有關(guān)?？绽浞绞綍r(shí)，不同傳熱系數(shù)對(duì)最大功率的影響如圖5所示。強(qiáng)對(duì)流方式在一定速度內(nèi)會(huì)大大提高LED產(chǎn)品的散熱能力，有助于提高散熱效果。

    綜上所述，無論是增加散熱面積還是增加對(duì)流速度都不能無限制地提高散熱能力，其原因在于：當(dāng)散熱結(jié)構(gòu)、方式固定后，即使LED導(dǎo)熱率有所上升，也無法真正大幅度降低芯片溫度；事實(shí)證明增加散熱面積，可以促進(jìn)散熱。但由于成本限制，且不可能無限制地增加散熱面積，因此，要提升LED產(chǎn)品的散熱能力，關(guān)鍵要在最大努力增加散熱面積時(shí)，尋找一種可以快速將上表面熱量帶走的散熱方式。

4 結(jié)語
    利用ANSYS軟件對(duì)大功率LED進(jìn)行三維有限元熱分析，并繪制了其受不同因素影響時(shí)器件的溫度云圖，通過比較各種因素對(duì)散熱性能的影響，得出結(jié)論：在經(jīng)過必要的選材優(yōu)化后，對(duì)于材料熱導(dǎo)率的追求只是對(duì)提高LED散熱能力細(xì)枝末節(jié)地修改，想要大幅度地提高LED的散熱能力，關(guān)鍵是增加散熱面積與改變散熱方式。