大功率LED燈具散熱裝置的設計

楊桂婷,劉一兵

(1.邵陽職業技術學院機電工程系，湖南 邵陽 422000；2.湖南大學電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082)

前言

LED是繼白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電燈之后的新一代光源，市場前景十分廣闊[1]。我國于2003年6月正式啟動國家半導體照明工程，并將半導體照明技術開發作為國家“十五”科技攻關重大項目立項。但是，LED對溫度非常敏感，溫度上升會影響發光效率，使發射光譜外移，使輻射波長發生變化引起LED色溫、色度變化，加速熒光粉及器件的老化[2]，還會使器件及芯片內部產生很大的熱應力，導致電極與芯片的焊點接觸不良，芯片內部出現分層[3]。解決大功率LED散熱的方法主要有兩種：一是提高器件的內量子效率，減少熱量的產生；二是改進LED封裝結構及外界熱沉，加快內部熱量的散發，以有效地降低芯片的溫度。

本文建立了60W LED照明燈具有限元模型，采用ANSYS熱分析軟件進行仿真，研究了散熱翹片度、寬度及數目對芯片最高結溫的影響，對散熱翹片結構進行了優化，為LED燈具散熱結構的工程設計提供理論依據。

1 60W LED照明燈具模型

目前功率型LED光源主要有兩種類型：一是陣列分布式功率型LED光源，將多個LED進行陣列分布布置；另一種是集成式功率型LED光源，將多顆LED集成封裝在一起[4]。由于芯片布置方式不同，這兩種LED燈具在配光曲線、占用空間以及散熱有所不同。本文采用陣列分布式的功率型LED燈具，用20支3W LED芯片組成60W照明燈具，設計采用高熱導率金屬鋁作為基板材料和熱沉材料的功率型LED照明裝置, LED芯片產生的熱量主要通過鋁基板、鋁熱沉基片及鋁熱沉翹片的熱傳導及自然對流將熱量散發到空氣中。芯片分布及熱沉結構示意如圖1所示，其中3W芯片尺寸為2mm×2mm，熱沉鋁基板尺寸為300mm×200mm×5mm，各芯片模組中心相對于熱沉的位置由X=[70,110,150,190,230]，Y=[55,85,115,145]所確定的坐標矩陣上。

圖1 60W LED照明燈具芯片分布及熱沉結構示意圖Fig.1 The distribution of 60W LED lighting chips and heat sink structure diagram

在LED照明燈具應用中，輻射散熱量非常小，主要靠傳導和對流兩種散熱方式，熱傳導主要表現在封裝結構和熱沉中，而熱對流主要靠熱沉完成。因此，外部熱沉的結構設計直接影響整個系統的散熱效果。關于LED燈具散熱的優化設計大多采用實驗和熱阻計算方法，研究成本較高，而采用計算機軟件仿真對其優化，可以縮短設計周期，降低研究成本，提高工作效率。 因此，本文采用ANSYS熱分析軟件仿真研究，優化熱沉的結構尺寸和流場分布情況，提高散熱效果。

2 ANSYS熱分析軟件仿真優化

2.1 優化模型的建立

APDL是ANSYS Parametric Design Language(ANSYS參數設計語言)的縮寫，能提供參數、宏、標量、向量及矩陣運算，分支、循環，重復及訪問ANSYS有限元數據庫及界面定制功能，實現參數交互輸入、消息機制，界面驅動和運行程序化，可實現參數化建模，提高分析效率。

采用APDL語言生成分析文件，建立熱沉的有限元模型，以散熱翹片結構參數作為設計變量，以LED最高結溫(TMP)作為目標函數，建立優化數學模型，采用一階方法求出TMP最小值時的設計變量值。為簡化計算和確保收斂，做如下約束：

(1)LED照明燈具底座規格為300mm×200mm；

(2)總功率為60W,由4×5×3W LED芯片組成，芯片尺寸為2mm×2mm；

(3)采用自然對流，不考慮結構引起的空氣對流系數的影響；

(4)所有結構設計參數依據實驗及制造工藝數據給定區域范圍,并定義為整數類型。

(5)設定改變熱沉結構的一個變量與TMP的關系時，結構其他的變量保持恒定值。

如圖2所示的優化模型表示為：

s.t.

圖2 LED燈具優化模型Fig.2 The optimized model of the LED lamps

2.2 優化過程

圖3為采用ANSYS優化過程中結構設計參數及材料屬性輸入二次開發界面。

圖3 優化過程中的二次開發界面Fig.3 The secondary development interface in the process of optimization

2.2.1 翅片長度的優化

圖4為熱沉翅片長度與最高結溫的關系曲線圖，從圖中可以看出：熱沉翅片長度與最高結溫呈近似線性關系，即翹片長度越長，芯片最高結溫越低。這是因為增加翹片高度能使熱量迅速散發到空間中；但是增加翹片高度也會增大LED燈具有重量，不符合LED的應用要求，因此，在優化時要權衡考慮。實驗時設定LED芯片最高溫度不超過60℃，翹片長度優化值為62.5mm。

圖4 翅片長度與最高結溫的關系Fig.4 The relationship between fin length and maximum junction temperature

2.2.2 翅片寬度的優化

圖5為熱沉翅片寬度與最高結溫的關系曲線圖，從圖中可看出：熱沉翅片寬度與最高結溫呈近似拋物線關系，總的來說，翹片寬度越寬，LED最高結溫越高；這是因為傳導主要沿著翹片的縱向方向流動，而翹片寬度增加減小了翹片間距，阻礙了翹片間帶走熱量的空氣流動速度。同時造成熱沉重量增加，提高了制造成本。為此，在LED最高結溫不超過60℃下，取翹片寬度的優化值為1mm。

圖5 翅片寬度與最高結溫的關系Fig.5 The relationship between fin width and the maximum junction temperature

圖6 翅片數目與最高結溫的關系Fig.6 The relationship between wing piece number and the maximum junction temperature

2.2.3 翅片數目的優化

圖6為熱沉翅片數目與最高結溫的關系曲線圖，從圖中可看出：隨著翹片數目的增多，燈具最高溫度逐漸降低，這說明翹片數目增多有效散熱面積增大，可以有效降低燈具溫度；但是超過某一數值后隨著翹片的增加LED結溫降低得越來越緩慢，達到一定數目后，結溫反而緩慢增大，其原因是翹片數目超過最佳值后，翹片間距減小，使得邊界層的粘滯作用增強，對流不能充分進行，散熱效果變差。為此，在LED最高結溫不超過60℃下，取翹片數目的優化值為20。

2.2.4 優化后的熱沉溫度云圖

根據優化結果，設計了芯片最高結溫不超過60℃時的熱沉取翹片長度優化值為62.5mm，寬度優化值為1mm，數目優化值為20，采用ANSYS軟件仿真得出優化設計后的熱沉溫度云圖如圖7所示。

圖7 優化后的熱沉溫度云圖Fig.7 Cloud chart of heat sink temperature after the optimized design

3 結論

本文采用了ANSYS熱分析軟件對60W陳列分布式的LED照明燈具進行了熱分析，對熱沉結構進行了優化，得出了如下結論：

(1)熱沉翹片長度與最高結溫呈近似線性的關系，即翹片長度越長，芯片最高結溫越低。

(2)熱沉翹片寬度與最高結溫呈近似拋物線關系，總的來說，翹片寬度越寬，芯片最高結溫越高。

(3)熱沉翹片數目與最高結溫呈倒拋物線關系，即隨著數目增加，最高結溫下降，但到達一定數值時，結溫又會緩慢增大。

(4)考慮到LED芯片最高結溫不超過60℃的條件下，對熱沉結構進行了優化，得出最優的取值分別為：翹片長度優化值為62.5mm，翹片寬度優化值為1mm，翹片數目優化值為20。

[1] 劉一兵，丁潔. 功率型LED 封裝技術[J]. 液晶與顯示，2008,23(4)：508-512.

[2] 劉一兵，黃新民，劉國華.基于功率型LED散熱技術的研究[J].照明工程學報，2008,19(1)：69-73.

[3] Hu J Z，Yang L Q，Hwang W J，et al.Thermal and mechanical analysis of delamination in GaN-based light-emitting diode packages[J].Journal of Crystal Growth，2006，288：157-161.

[4] 劉紅，趙芹，蔣蘭芳，等.集成式功率LED路燈散熱器的結構設計[J].電子器件，2010,33(4)：481-484.