一種大功率LED模組的熱管理設計

嚴榮添，羅婉霞，梁德卓

（廣州廣日股份有限公司，廣東廣州 510623）

0 引言

在LED燈的眾多應用中，作為普通照明光源是最具前景的應用，是21世紀最具發展前景的高技術領域之一，是人類照明史上繼白熾燈、熒光燈之后的又一飛躍，其經濟和社會意義十分重要[1]。大功率LED是半導體照明的關鍵器件，屬于典型的綠色環保照明產品[2]。而最終能否實現半導體照明，還有賴于大功率LED光效和可靠性問題的解決。

大功率LED燈的潛在失效機理大致可分為五種：芯片失效、熱應力失效、電應力失效、封裝失效和裝配失效[3]，其中散熱問題是大功率LED的一個突出問題。研究表明[4]，當芯片溫度超過一定值時，器件的失效率將呈指數規律攀升。根據某公司產品測試數據，大功率白光LED的結溫Tj在亮度衰減70%時與壽命的關系可看出：Tj=50℃時，壽命為90 000小時，Tj=80℃時，壽命降到34 000小時，Tj=115℃時，其壽命只有13 300小時了。從以上的測試數據顯示，為達到約10年的壽命，LED的工作結溫溫度必須小于85℃，高于此溫度范圍效率將大大降低，甚至于燒毀。因此，熱管理技術是大功率LED燈具設計的關鍵技術之一。

1 熱管理技術

1.1 通過改進封裝結構提高散熱能力

隨著LED封裝技術的不斷改進，LED封裝的發展主要經歷了引腳式封裝、表面貼膜封裝與功率型封裝、COB模組封裝4個階段[5]。引腳式封裝是LED在2002年以前采用的封裝主要技術，其缺點是熱阻很大，壽命較短。隨后表面貼膜封裝（SMD）逐漸被市場接受，它利用焊錫熔融再凝固的方式安裝在器件載板上，形成SMD-LED產品。這樣的LED產品在質量上有很大提升，更便于集成化，且生產效率很高。功率型封裝是大功率LED的封裝方式，OSRAM、CREE等外國LED照明巨頭的大功率LED產品均是采用這種方式。隨著用戶對LED產品的可靠性要求越來越高，特別是在同等條件下，要求更優的能效指標、更低的功耗，以及更具競爭力的產品價格，板上芯片(chip on board，COB)集成封裝技術顯示出更為強大的競爭力。COB是將多顆LED芯片直接封裝在金屬基或陶瓷基印刷電路板上，具有出光密度高、配光方便、散熱良好、性價比高等優點。業界預測，COB封裝將成為未來發展的必然趨勢。本文設計的LED散熱模組所采用的就是COB封裝技術。

1.2 通過輔助散熱技術提高散熱能力

對于大功率LED可采用自然冷卻、強制風冷、熱管技術等幾種類型（見表1）。

表1 已采用的大功率LED散熱方式

由表1可知，現在采取的幾種大功率LED散熱方式，都存在一定的不足之處。熱管導熱能力超過任何已知金屬的導熱能力，熱管散熱器熱阻可以達到0.01℃/W，在自然對流冷卻條件下，熱管散熱器比銅鋁實體散熱器的性能可提高十倍以上，達到結構簡單，低成本、高散熱效果，所以將熱管應用于大功率LED散熱具有較好的研發價值。如圖1示為熱管工作原理圖。

圖1 熱管工作原理

常見的熱管工作介質有：銅水、氨、丙酮及甲醇等。其中銅水熱管可以在20℃-150℃時正常工作，可以用在LED的散熱系統中[6-7]。

本文考慮到自然冷卻具備成本低、穩定好的優點，結合熱管的超強導熱性能，充分發揮散熱翅片本身的散熱能力，達到控制LED結溫在合適范圍內的作用。

2 模型建立

三維直角坐標系中的瞬態溫度場場變量T（x，y，z，t）滿足：

（1）式中：?T/?x，?T/?y，?T/?z為沿 x，y，z方向的溫度梯度；kx，ky，kz為熱導率；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。

對于穩態熱傳導，dT/dt=0，因此，計算域內的控制方程為：

對于自然對流，計算域內的綜合邊界控制方程為：

式（3）中，nx，ny，nz為三個坐標軸的方向余弦，Ts是固體壁面溫度，Ta是空氣溫度，h是自然對流換熱系數。

3 LED散熱模組設計

LED模組采用的是COB光源，由于COB技術是將外延芯片與印刷電路板集成在一起，因此不需要添加PCB板，可直接固定在散熱器上。另外考慮到COB光源是高度集成的，發光面積小，熱流密度高，因此在散熱器中應用了熱管技術，通過熱管起到的均溫作用，使各塊鋁翅片溫度基本一致，達到最佳的散熱效果。

設計的LED模組功率為30 W（如圖2所示），可用于LED路燈、投光燈、隧道燈等，具有極為廣泛的應用場合。其各組件的材料及導熱系數如表2所示。

4 有限元分析

圖2 LED模組模型圖

表2 模組各組件材料、尺寸和對應導熱系數表

通過對以上設計的LED模組建立計算機模型，進行有限元熱分析，能夠有效預測LED模組在實際工作時結點溫度，對設計具有重要的參考意義[8-9]。本文采用的是穩態熱分析，假設條件如下：（1）各組件間的連接為完全連接；（2）環境溫度為25℃；（3）考慮熱輻射效應，陽極氧化的鋁翅片表面輻射系數為0.27；（4）對COB設定為體積熱源，發熱量為7 W。

計算網格采用自適應網格技術，提高了計算效率，網格劃分結果如圖3所示。

圖3 模型網格劃分布圖（合共29.2萬網格）

圖4為熱分析結果，顯示了LED模組的溫度分布。從圖4中可看到COB芯片發出的熱量，迅速傳導到散熱器鋁基，然后在熱管的作用下，熱量均勻地傳導到每塊翅片，提高了整個翅片組的自然對流散熱效率，COB的最高溫度（可視為焊盤溫度）為58.0℃。本模組設計使用的COB為美國科銳的CXA系列產品，焊盤到結點的熱阻為2.5℃/W，最大能承受的結點溫度為150℃，由于每顆COB的功率為10 W，因此可推算得最大結點溫度為83.0℃，遠遠小于150℃，因此本文設計的LED模組保證了LED芯片的均溫性，避免了局部熱點，從而提高了大功率LED的可靠性，保證了它的壽命。

圖4 LED模組工作溫度分布圖

5 結語

目前，由于LED模組具有結構緊湊、功能高度集成、可方便替換、成本更低廉的優點，開發和應用大功率白光LED模組已成為了LED行業的研究熱點及未來的一大發展方向。

而隨著功率的不斷增大，對LED器件的散熱能力提出了越來越高的要求。因此在LED熱管理設計中應當保證有足夠的余量，使遭遇嚴酷的工作環境，也能保證LED模組長期工作的可靠性。目前，通過各種輔助散熱技術或散熱材料的綜合應用，設法將LED內部熱量快速散發到外界環境中，以降低LED芯片的結溫溫度，是進行熱管理的有效方法。根據使用環境來精心設計散熱片的外形結構，通過新型高效導熱技術以最大限度地利用熱對流方式和利用熱輻射方式來進行散熱，能達到良好的熱管理效果。

［1］毛興武，張艷雯，周建軍，等.新一代綠色光源LED及其應用技術［M］.北京：人民郵電出版社，2008.

［2］趙敏，陳志平，張巨勇.大功率LED燈的熱分析與熱設計［J］，機電工程，2012（2）：220-223.

［3］趙阿玲，尚守錦，陳建新.大功率白光LED壽命試驗及失效分析［J］，照明工程學報，2010，21（1）：48-52，57.

［4］王靜，吳福根.改善大功率LED散熱的關鍵問題［J］.電子設計工程，2009，17（4）：123-125.

［5］陳才佳，李少鵬.LED封裝歷程［J］.電子工業專用設備，2013（1）：1-4.

［6］過增元.國際傳熱學研究前沿—微尺度傳熱［J］.力學進展，2000，30（1）：1-6.

［7］魯祥友，程遠霞.用于大功率LED冷卻的熱管散熱器的實驗研究［J］.半導體光電，2008，29（05）：651.

［8］陶漢中，張紅，莊駿.高速芯片模塊熱管散熱器的數值傳熱分析［J］.南京工業大學學報，2004（1）：68-71.

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