基于有限元分析的LED肋片散熱器非等距排列研究

重慶郵電大學 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而不能有效散出，則會導致芯片溫度升高，引起熱應力的非均勻分布、芯片發光效率和熒光粉轉換效率下降等一系列問題。

目前大功率LED芯片的應用越來越多，資料顯示大功率LED只能將約10%—15%的輸入功率轉化為光能，而將其余的85%—90%轉化為熱能[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、環肋和套片式；按肋片的排列方式，可分為串聯排列和交錯排列；按制作材料，可分為銅和鋁合金散熱器[5]，肋片的研究，國內外專家和學者做了大量的實驗和研究，主要從增加增加熱源與環境接觸面積、減少芯片與散熱器間接觸熱阻和提高表面傳熱系數三方面考慮。

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部空間，達到外殼側壁和頂部的內表面，再通過導熱的形式傳遞到外表面，由于封裝材料導熱能力差，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

假設周圍的環境溫度是30℃，對流模式為空氣自然對流，透鏡的外表面熱傳遞系數是5W/(mk)，散熱器底面的散熱系數是10W/(mk)。1W的LED功率施加在1mm×1mm×0.25mm的LED芯片上，假設有85%的能量以熱量的形式散出，則產生的熱流密度是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。

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表一 不同材料下導熱系數與尺寸

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的極差分析表

表五 橫向導熱片的厚度對試驗指標的極差分析表

表六 橫向導熱片的寬度對試驗指標的極差分析表

表七 四種不同疏密度的散熱器對試驗指標的極差分析表

5.散熱器參數優化設計一

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，該實驗設計了一個橫向的導熱肋片來增強兩邊肋片與中間肋片的熱傳導。理論公式如下：

對于增加的橫向導熱片的位置，實驗分為以下幾種情況，結果如下：

假設橫向導熱肋片的寬度是10mm，厚度是2mm，長度是35mm，其他參數尺寸不變。以散熱器中心部位的底面作為坐標中心，X和Y分別是相對于原點的Z軸上的坐標。(X-Y)是橫向導熱肋片的厚度。

由表二可以看出，當導熱肋片處于（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。散熱設計的時候，應選擇（1-3）范圍內。

圖6

圖7

6.散熱器參數化設計二

正交實驗設計法具有完成實驗要求所需的試驗次數少、數據點分布均勻、可用相應的極差分析方法對試驗結果進行分析等優點[8]。

本實驗采用正交試驗對散熱器的中心肋片的厚度、橫向導熱肋片的厚度、橫向導熱肋片的寬度以及四種不同疏密度的肋片散熱器進行優化設計，把以上影響散熱器散熱性能的4個參數作為因素，每個因素取4個水平，以模型的最高溫度為指標，采用正交標L15(44)模擬實驗，結果如表三所示。(表三單位都是mm)。

根據正交試驗表中的數據，將以上四個因素對試驗指標的極差進行統計分析。結果如表四至七所示：

（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：橫向導熱片的厚度、橫向導熱片的寬度、散熱器中心肋片的厚度、散熱器散熱肋片的疏密度。

（2）散熱器中心肋片的厚度在不影響周圍自然對流系數的前提下，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目，從而影響散熱效果。

（3）對于解決方案中增加的橫向導熱肋片，隨著導熱肋片厚度的增加，芯片溫度開始增加，不利于散熱。主要原因在于橫向導熱肋片的厚度會對散熱器的熱阻造成一定的影響，從而降低散熱效果。

（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，兩邊的肋片數目相對減少，也會對散熱產生影響。

（5）通過以上綜合分析，在散熱器中增加橫向導熱肋片是可行的，有利于散熱。

實驗仿真表明：

對于同樣翅片數目的時候，中間密兩邊疏可以有效降低芯片結溫。

根據這一實驗結果，對方案進行優化，從以下兩個方面入手：

（1）通過增加中心區域的肋片的厚度，來提高溫度的豎直傳導能力。

（2）通過增加橫向的傳導翅片，設定相關的尺寸，來有效提高溫度的橫向傳導能力。

7.散熱器非等距肋片的優化設計

在16次的實驗當中，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，橫向導熱片的厚度是1mm，橫向導熱片的寬度是35mm，選擇散熱器類型Ⅱ。結果如圖6所示：

結合工程的需求[9]、散熱器的質量以及芯片間的熱對流等因素，優化以后的散熱效果如圖7所示：

8.結束語

本文歸納總結了當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下的散熱器進行了仿真和熱分析，發現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化設計。我的目標是散熱設計的散熱器質量比現有的等距排列質量要小；設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，橫向導熱片的厚度是1mm，橫向導熱片的寬度是5mm，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路燈散熱器的結構設計.

[4]戴煒鋒,王琚,李越生.大功率LED封裝的溫度場和熱應力分布的分析[J].半導體光電,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[J].2010,4:45-46.

[6]張雪粉.大功率LED散熱研究及散熱器設計[D].天津大學碩士學位論文,2007.

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

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

[9]張樓英,李朝林.LED封裝中的散熱技術研究[J].電子與電子封裝,2009,9(5):1-4.