大功率LED散熱的改善方法

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)動電流達(dá)到70 mA、100 mA甚至1 A，這將會引起芯片內(nèi)部熱量聚集，導(dǎo)致發(fā)光波長漂移、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)對大功率LED的散熱問題作出了很多的努力：通過對芯片外延結(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合中使用散熱片，依靠強(qiáng)對流散熱等方法促進(jìn)大功率LED散熱。盡管如此，單個LED產(chǎn)品目前也僅處于1～10 W級的水平，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，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)對流方式，犧牲了成本優(yōu)勢，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)溫度場場變量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為溫度隨時間的變化率。

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

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)通過與空氣的對流散熱；器件與外界的熱對流系數(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 分析各種因素對于散熱能力的影響
3.1 熱輻射系數(shù)對LED散熱的影響
圖2為表面黑度為0.8時的溫度云圖。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，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，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LED的散熱的影響
只考慮熱傳導(dǎo)與對流，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，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，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，不同熱沉材料的導(dǎo)熱系數(shù)對于LED最大功率影響。由表2看出，熱沉材料對于LED的最大散熱能力的影響很小。

綜上所述，熱導(dǎo)率變化對LED最大功率影響微弱。
3．3 增加散熱面積對LED散熱的影響
表3為3種不同散熱方式對LED的溫度分布、最大功率的影響?？梢钥闯?，增加散熱面積是很好的散熱方式，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 對流方式對LED散熱的影響
常見對流散熱方式有兩種：自然對流和強(qiáng)制對流。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，不同傳熱系數(shù)對最大功率的影響如圖5所示。強(qiáng)對流方式在一定速度內(nèi)會大大提高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，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器件的溫度云圖，通過比較各種因素對散熱性能的影響，得出結(jié)論：在經(jīng)過必要的選材優(yōu)化后，對于材料熱導(dǎo)率的追求只是對提高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。