基于有限元的大功率LED燈具散熱分析

朱伯明,褚才良,楊潤光,楊凱（.寧波燎原燈具股份有限公司,浙江寧波35408；.中國計量學院,杭州30000)

基于有限元的大功率LED燈具散熱分析

朱伯明1,褚才良1,楊潤光2,楊凱2
（1.寧波燎原燈具股份有限公司,浙江寧波315408；2.中國計量學院,杭州310000)

摘要:本文通過對某功率型LED散熱模組建立熱阻理論模型，并利用大型有限元仿真軟件ANSYS對其進行仿真熱分析,得出了其熱穩態及瞬態的溫度場分布。結果表明:在薄插片式LED散熱器設計中，采用熱管結構可以大幅降低散熱片近端與遠端之間的熱阻，從而充分發揮翅片式散熱器散熱面積大的優點，有效地降低功率型LED芯片模塊在使用時的結溫，增加系統的可靠性。

關鍵詞:大功率LED;熱管;有限元;ANSYS

1引言

作為一種電致發光器件，LED具有許多獨特的優點，諸如低功耗、污染小、壽命長等。但隨著LED功率的增大，產熱量增多，如果散熱問題解決不好，熱量集中在尺寸很小的芯片內，使得芯片內部溫度越來越高。隨著溫度上升,熒光粉量子效率降低,出光減少,輻射波長也會發生變化。熒光粉輻射特性的改變,也會引起白光LED色溫、色度的變化。較高的溫度還會加速熒光粉的老化[1-2]。??

與此同時，由于LED元件的可靠性與溫度成反比，LED芯片的故障率隨元器件溫度升高而成指數關系增長，因此應嚴格控制LED芯片溫度，散熱技術成了大功率LED應用研究的重點課題[3-5]。

2有限元理論

在直角坐標中，從散熱片中任意取出一個立方形控制體，根據熱力學第一定律有: ??

由于散熱片是具有內熱源的三維導熱問題，所以當散熱片的體積為V，其邊界曲面為S，根據變分原理式(2)推導出：??

假定散熱片周圍流體的介質溫度Tf和散熱片表面與周圍介質之間的對流換熱系數已知，即散熱片邊界曲面滿足第三類邊界條件，也即當S=Sa時，有

將（4）式代入（3）式，可導出??

把散熱片離散成E個單元和m個節點，對每個待求的節點溫度可以建立一個代數方程，也就是離散方程，由m個代數方程可組裝成系統方程??

式中[C]為比熱矩陣，[K]為熱傳導矩陣，{Q}為節點熱流率向量。求解(6)式，可得到各個節點的溫度值。

3建模及仿真

如圖1是目前市面上銷售的大功率LED典型倒裝焊接結構，熱量由芯片結區產生，從兩個路徑并行傳出：一是從半導體PN結傳到硅膠再到塑料透鏡散發到空氣中；二是從焊接層傳到熱沉再通過金屬或陶瓷基板進行散熱，后者熱阻較小而作為主要的散熱途徑。當沒有熱管時，建立如圖2(a)的大功率LED燈組模型。圖2(b)為相應的熱阻等效模型。?

圖1倒裝焊接的LED橫截面視圖

圖2未使用熱管的大功率LED散熱器

由圖2(b)可知，此時散熱器的總熱阻R為：??

圖3給出了無熱管時大功率LED燈具模組的有限元穩態和瞬態熱分析結果。從圖3(a)可見散熱翅片的近端與遠端的溫差近14.5℃，對于近端與遠端的相同面積的葉片微元，其散熱能力比為：??? ??

因而散熱翅片的整體散熱能力受到了很大的削弱。??

與之相比較，建立同樣結構的大功率LED燈具散熱模組，當采用熱管散熱時其結構模型和熱阻等效模型如圖4所示。??

此時大功率LED燈具散熱模組的熱阻為：

圖3未使用熱管的大功率LED散熱器

圖4未使用熱管的大功率LED散熱器

圖5使用熱管的大功率LED散熱器

由仿真結果可以看到遠端和近端的溫度差值降低為1.12℃，大功率LED燈具散熱器翅片遠端因此也具有了很好的散熱能力，使得散熱器與空氣間的整體熱阻得到了較大幅度的降低，散熱器的散熱能力也接近于1，起到了較好的散熱效果。

4結論

綜合以上仿真結果可以看出，在未使用熱管的模型中，由于大功率LED散熱器翅片的熱阻比較大，翅片的遠端和近端的溫差近14.5℃，翅片的遠端散熱能力只有近端的23.7%，因而大大削弱了葉片的散熱能力。在使用熱管的模型中，葉片近端與遠端之間的熱阻大幅下降，從而充分發揮翅片式散熱器散熱面積大的優點，有效地降低功率型LED芯片模塊在使用時的結溫。

參考文獻：

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