LED芯片分布對散熱性能的影響研究

　　本文針對65×65mm一面設(shè)有九顆1×1mm、1W的LED芯片，另一面為肋片的鋁制散熱片，利用數(shù)值法求解三維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程，利用計(jì)算機(jī)專用軟件計(jì)算得到不同LED芯片分布時(shí)，散熱片芯片表面的溫度分布，根據(jù)其溫度場來分析LED芯片分布對其散熱的影響。結(jié)果是：九顆芯片集中在一起散熱效果最差，芯片之間的距離應(yīng)達(dá)到5mm以上，其芯片溫度可降低近5℃以上。

　　LED照明，由于節(jié)能顯著，被認(rèn)為是下一代照明技術(shù)。LED是冷光源，其光譜中不包含紅外部分，而目前LED發(fā)光效率僅達(dá)到20%，也就是說有80%以上的電能轉(zhuǎn)換成熱能。如果熱量不能有效散出，芯片的溫度上升，會導(dǎo)致光效下降，光衰加劇，嚴(yán)重時(shí)燒毀芯片，LED芯片散熱是當(dāng)前LED照明發(fā)展中的一大未解決的問題。

　　LED芯片的散熱過程并不復(fù)雜，只是一系列導(dǎo)熱過程再加對流換熱過程，溫度范圍不高，屬于常溫傳熱，其內(nèi)的導(dǎo)熱過程，完全可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)專用軟件求解三維導(dǎo)熱微分方程，計(jì)算分析出LED芯片中、散熱片內(nèi)的導(dǎo)熱過程，以及散熱片外表的對流換熱，分析出整個(gè)傳熱過程中主要的熱阻在何處，什么原因造成的，可以得到一非常清晰的解，使人們有的放矢。

　　但當(dāng)前LED散熱以及同類的半導(dǎo)體芯片散熱，都缺少這一基礎(chǔ)性和指導(dǎo)性的研究，即使有人做了，但不為眾人所知。由此造成當(dāng)今LED散熱技術(shù)就像春秋戰(zhàn)國時(shí)代樣，出現(xiàn)采用熱管，甚至提出采用回路熱管。本文僅從LED芯片分布不同，來研究分析其對散熱的影響，將對LED芯片中的設(shè)計(jì)和制造起著指導(dǎo)性意義。

　　1、計(jì)算模擬的模型

圖1

　　如圖1所示，鋁制散熱片的一側(cè)面設(shè)有9顆1×1mm，1w的芯片，還有0.1mm厚導(dǎo)熱系數(shù)取4w/(mmiddot;k)的絕緣導(dǎo)熱層，肋片的總面積為 m2，空氣對流換熱系數(shù)為 =6 w/（m2·k），鋁的導(dǎo)熱系數(shù)取202 w/(m ·k)。為簡化計(jì)算，不考慮肋片內(nèi)的導(dǎo)熱問題，由肋片散熱面簡化折算成65×65mm，對流換熱系數(shù)為 85 w/（m2·k）的對流換熱面。也就是求解一側(cè)面為對流換熱面( =85w/（m2·k）)，另一側(cè)為9顆芯片(1×1mm，1w)的鋁塊（65×65×3mm）在芯片間距不同時(shí)其內(nèi)部的溫度場。

　求解方程：

　　即為三維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程，通常稱為拉普拉斯方程式。利用專用的計(jì)算軟件求解。

　　2、計(jì)算結(jié)果

　　圖2為：不同芯片間距，LED芯片所處的散熱片金屬表面，過中心點(diǎn)的溫度分布。

　　芯片間距L取1mm、2.5mm、5mm、7.5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm。

　　當(dāng)L=1mm時(shí)，即9顆LED芯片集中在一起，之間沒間隙。

　　表1列不同芯片間距，LED芯片所處散熱片金屬表面中心點(diǎn)（也即溫度最高點(diǎn)）的溫度值及其差別。以上計(jì)算中環(huán)境溫度取40℃（313K）。

　　3、分析

　　從圖2和表1中可清楚地看：當(dāng)把9顆LED芯片集中在一起（芯片間距L=1mm）時(shí)，中心點(diǎn)（芯片所處的溫度最高點(diǎn)）溫度最高，也就是散熱效果最差。當(dāng)芯片間距增加1.5mm（L=2.5mm）時(shí)，最高點(diǎn)溫度就下降3.1℃，芯片間距增加4mm（L=5mm）時(shí)，最高點(diǎn)溫度下降4.8℃。當(dāng)芯片間距為L=7.5mm時(shí)，最高點(diǎn)溫度下降5.6℃。當(dāng)芯片間距L=10mm時(shí)，溫度下降6.1℃。當(dāng)芯片間距L=20mm時(shí)，溫度下降7.2℃。在間距L=10mm內(nèi)溫度降低顯著。

　　4、結(jié)果

　?。?）LED芯片分布對散熱有很大影響，應(yīng)該將LED芯片分散開。

　　（2）對于1×1mm，1w的LED芯片，芯片間距取5~10mm為佳。