照射角度對大功率LED 筒燈散熱性能影響的分析*

劉海林，吳禮剛，戴世勛* ，林萬炯，周伯友，金小明

(1.寧波大學信息學院，浙江 寧波315211;2.寧波工程學院電子與信息工程學院，浙江 寧波315216;3.寧波賽爾富電子有限公司，浙江 寧波315103)

大功率LED 具有高效，節能，環保以及壽命高的優點，被公認為是下一代照明光源的理想替代者。為進一步實現“十二五”節能減排目標，2011 年國家發改委聯合多部委發布五年內逐步禁止進口、銷售普通白熾燈的公告，這給國內LED 照明行業帶來了新的發展契機。目前制約國內大功率LED 燈具發展的一個重要因素就是封裝散熱問題，散熱問題解決不好將導致器件波長漂移、顏色變化、發光效率下降、燈具失效以及可靠性降低等問題。因而解決好大功率LED 封裝過程中的散熱問題對國內LED 照明企業發展意義重大。

目前對大功率LED 燈具封裝散熱的研究已漸成體系，大致可分為兩大部分:LED 芯片的散熱封裝和LED 燈具外圍組件的散熱封裝研究。LED 芯片的最高溫度稱為結溫，結溫的高低往往成為衡量燈具散熱效果的尺度。對LED 芯片封裝散熱研究主要集中在LED 芯片的結構以及電氣連接引腳的位置等方面［1－3］。對LED 燈具外圍封裝組件的散熱研究則主要從各組件包括陶瓷基板、PCB 板、導熱硅脂以及散熱器的材料和結構入手展開［4－11］。在材料導熱性能、結構尺寸、結溫高低以及加工成本多種因素之間尋求一個最佳的結合點。然而以上研究的前提均假定LED 燈具是在固定照射角下達到熱穩定狀態的。在實際的照明應用中，為了達到理想的照明效果，會將LED 燈具設計成照射角度可調的結構。燈具在自然對流下熱量的傳遞與換熱表面的形狀、大小、換熱表面與流體運動方向的相對位置以及換熱表面的狀態都有著密不可分的關系［12］，因此不同的照射角度下的燈具散熱效果截然不同。目前國內外主流科技文獻在照射角度對大功率LED 燈具散熱的影響方面鮮有報道。

本文使用計算流體力學軟件Fluent 對一款大功率LED 筒燈進行建模仿真，進而研究其搭配3 種常見結構散熱器在不同照射角度下的散熱效果。整個系統設定為自然對流，大氣壓強為1 標準大氣壓，環境溫度設置為35 ℃。重力方向為Z 軸正向，如圖1所示我們定義此時豎直向下照射時的照射角為0°角，若燈具繞Y 軸方向旋轉30°即照射角為30°，對比3 種結構燈具在照射角0° ～90°時的散熱效果，找出每種結構的最佳照射角以及適合多種角度照射的最佳燈具結構。本研究中所涉及的材料參數如表1 所示。

圖1 搭配輻射狀散熱器LED 筒燈建模示意圖

表1 封裝材料特性

1 基本參數的設定

建模元件尺寸為:LED 芯片1.2 mm×1.2 mm×0.1 mm、陶瓷基板4.5 mm×3 mm×0.5 mm、燈罩、PCB板為環形，內徑ra為3.5 mm，外徑rb為19 mm，厚度為1.5 mm。散熱器分為3 種結構:輻射狀，平板狀、以及柱狀，3 種散熱器結構如圖2 所示，基座厚度d 均為2 mm，輻射狀散熱器的肋片厚度d1為2 mm，高度h1為39.5 mm;平板狀散熱器肋片厚度d2為2 mm，間距L 為4mm，高度h2為39.5 mm;柱狀散熱器肋片尺寸2 mm×2 mm×39.5 mm。燈具模型加圓柱形空氣包圍框，如圖1 所示，半徑為R 為80 mm，高度為H 為290 mm。為了節省運算時間，對所建模型均做1/2對稱。

圖2 三款常見LED 筒燈散熱器結構示意圖

仿真參數:每顆LED 芯片的發熱功率設置為2 W，空氣流動狀態設置為層流，采用浮力驅動。環境溫度設置為35 ℃，大氣壓強為1 標準大氣壓，重力加速度為9.8 m/s2。

2 仿真的有限元公式

Fluent 求解方程如下:

(1)連續性方程

(2)動量方程

X 方向:

Y 方向:

Z 方向:

(3)能量方程

固體傳熱方程:

(4)流體傳熱方程:

(5)對流傳熱(牛頓冷卻)公式:

其中u、v 和w 分別表示流體在x、y 和z 方向的速度分量，ρ 和T 分別表示流體密度與溫度。g 為重力加速度，β 為流體的熱膨脹系數，Cp為比熱容，k 為熱傳導系數，Q'為芯片的發熱功率，α 為熱擴散系數，φ為熱流量，h 為對流換熱系數，A 為表面積，tw為固體表面溫度，tf為流體溫度。

3 結果與討論

3.1 照射角度對搭配輻射狀散熱器LED 筒燈散熱效果的影響

圖3 為搭配輻射狀散熱器的LED 筒燈在不同照射角下的溫度場分布圖，對比不同照射角下的結溫我們發現，結溫呈現隨照射角度的增大而升高的趨勢，如圖4 所示。但在0° ～30°范圍內結溫維持在97 ℃左右，變化不明顯，而從30°開始結溫明顯升高，照射角為90°時具有最高溫度110 ℃。分析原因主要是當照射角度增大時，散熱器在空氣上升方向也就是－Z 方向上會形成一個阻擋面，使得空氣流動受阻，降低了散熱器表面的對流換熱系數，其中計算對流化熱系數時的流體溫度tf參考值設置為空氣入口溫度35 ℃。散熱器采用熱傳導系數較高的鋁質材料，故表面溫度tw在不同照射角下基本不變，(tw－tf)近似為定值，又因為散熱器表面積A 為定值，根據牛頓冷卻方程可知，對流換熱系數的降低會導致擴散熱流量的減少，進一步導致結溫升高。照射角低于30°時這個阻擋面面積變化不大，而從30°開始阻擋作用明顯增強。

圖3 搭配輻射狀散熱器LED 筒燈不同照射角下的溫度場分布

圖4 搭配輻射狀散熱器LED 筒燈結溫與照射角度關系圖

3.2 照射角度對搭配平板狀散熱器LED 筒燈散熱效果的影響

如圖5 所示，搭配平板狀散熱器LED 筒燈在繞Y 軸方向轉動照射和繞X 軸方向轉動照射時具有完全不同的散熱效果:

如圖5(a)所示搭配平板狀散熱器LED 筒燈繞Y 軸方向轉動照射時，結溫隨照射角的增大而明顯升高，如圖6 所示，在0° ～30°時結溫維持在94 ℃左右，變化不明顯，但從30°開始結溫溫升幅度較大，在90°時達到最高溫度116 ℃，較搭配輻射狀散熱器時的最高結溫高出6 ℃。

圖5 搭配平板狀散熱器兩種不同轉動照射示意圖

圖6 搭配平板狀散熱器LED 筒燈結溫與繞Y 軸方向轉動時照射角關系圖

如圖5(b)所示搭配平板狀散熱器LED 筒燈繞X 軸方向轉動照射時，結溫隨照射角的增大變化不大，基本維持在94 ℃～95 ℃之間，如圖7 所示。

圖7 搭配平板狀散熱器LED 筒燈結溫與繞Y 軸方向轉動時照射角關系圖

出現以上兩種不同散熱效果是因為當LED 筒燈繞X 軸方向轉動時，平板狀散熱器的肋片對上升空氣流的有效阻擋面積并未明顯增大，肋片間能夠始終保證順暢的空氣流動。而繞Y 軸方向轉動照射時，散熱器肋片在空氣流上升方向上的有效阻擋面積是隨照射角度的增大而增大的，肋片的阻擋作用使得肋片間的空氣流動受阻，降低了散熱器表面與空氣間的對流換熱系數，根據牛頓冷卻方程可知，對流換熱系數的降低會導致擴散熱流量的減少，進一步導致結溫的急劇升高。

3.3 照射角度對搭配柱狀散熱器LED 筒燈散熱效果的影響

圖8 為搭配柱狀散熱器LED 筒燈照射角度與結溫的關系圖，從圖中可以看出，結溫隨照射角度的增大是升高的，但是溫升并不明顯，結溫維持在94.2 ℃～98.4 ℃之間最大溫差僅有4.2 ℃。這主要是因為隨著照射角度的增大，柱狀散熱器肋片會在空氣流動方向上即－Z 軸方向上形成一個阻擋面，使得肋片間空氣流動受阻，但是柱狀散熱器肋片的特殊結構會產生旁通現象，空氣仍可以從四面八方進入肋片之間流動，因此空氣在肋片間的流速并未明顯減小，即結溫也沒有明顯升高。

圖8 搭配柱狀散熱器LED 筒燈結溫與照射角度關系圖

4 結論

(1)搭配輻射狀散熱器的LED 筒燈只適合小角度照射，因此在設計轉動結構時應將照射角度控制在30°以下。

(2)搭配平板狀散熱器的LED 筒燈在低于30°的小角度照射時，可以任意設計其旋轉結構，但是在高于30°的大角度照射時，應設計成文中繞X 軸方向轉動的結構，

(3)搭配柱狀散熱器的LED 筒燈在多角度照射的情況下具有較好的散熱效果，在不考慮散熱器外觀以及加工成本的前提，多角度照射的LED 筒燈散熱器應首選柱狀結構。

［1］ Hyum－Ho Kim，Sang－Hyum Choi，Sang－Hyun Shin，et al. Thermal Transient Characteristics of Die Attach in High Power LED PKG［J］.Microelectronic Reliability，2008，48:445－454.

［2］ Lianqiao Yang，Sunh Jang，Woongjioon Hwang，et al. Thermal Analysis of High Power GaN－Based LEDs with Ceramic Package［J］.Thermochimica Acta，2007，455:95－99.

［3］ Adam Christensen，Samuel Graham. Thermal Effects in Packaging High Power Light Emitting Diode Arrays［J］.Applied Thermal Engineering，2009，29:364－371.

［4］ 李華平.大功率LED 的封裝及其散熱基板的研究［D］. 西安:中國科學院研究生院，2007.

［5］ 劉雁潮，付桂翠，高成，等. 照明用大功率LED 散熱研究［J］.電子器件，2008，31(6):1716－1719.

［6］ 胡東飛，徐軍明，秦會斌.納米添加劑對LED 鋁基板散熱性能的影響［J］.電子器件，2010，33(6):664－666.

［7］ Ma xiangjun，Wu ligang，Dai shixun，et al. Thermal Analysis of High－Power LED Tube Lamp［J］. Advanced Materials Research Vols，2011.308－210:346－350.

［8］ Mark Gleva. Enhanced Active Cooling of High Power LED Light Sources by Utilizing Shrouds and Radial Fins［D］.Atlanta:George W.Woodruff School of Mechanical Engineering，2009.

［9］ 周建輝，楊春信.曲線型肋片放射狀散熱器形狀設計與數值模擬［J］.電子器件，2007，30(6):2237－2242.

［10］ Ma H K，Chen B R，Lan H W，et al.Study of an LED Device with a Honeycomb Heat Sink ［C］//26th IEEE SEMI－THERM Symposium，2010:289－299.

［11］ 劉春玲.大功率LED 封裝技術的研究［J］.光電子·激光，2006，17(7):902－904.

［12］ 楊世銘，陶文銓. 傳熱學［M］. 北京:高等教育出版社，2006:198－199.