多排陣列大功率LED的ICEPAK熱設計

2016-04-12 00:00:00王明霞周俊杰

現代電子技術 2016年2期

摘要：隨著LED的集成度越來越高，LED的散熱問題越來越突出。為提高LED的使用壽命和可靠性，使用專門的熱分析軟件ANSYS ICEPAK對影響多排陣列大功率LED散熱的關鍵因素風扇質量流量、翅片厚度以及翅片行間距等進行分析研究。結果得出基板溫度隨風扇質量流量的增大而降低，隨翅片厚度的增加先降低后升高，隨翅片行間距的增加先降低后升高，并分別提出有效的改進措施。最后對初始模型進行參數優化，將風扇質量流量從初始的0.005 kg/s優化為0.010 kg/s，將翅片厚度從初始的0.018 m優化為0.012 m，將翅片行間距從初始的0.014 m優化為0.010 m。優化后基板的溫度為81.31 ℃，比優化之前的107 ℃降低了25.69 ℃。

關鍵詞：多排陣列；大功率LED； ANSYS ICEPAK；影響因素；熱設計

中圖分類號： TN312.8?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）02?0113?03

ICEPAK?based thermal design for multi?row array high?power LEDs

WANG Mingxia， ZHOU Junjie

（College of Chemical Engineering and Energy， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： As the LED integration level becomes increasingly high， the heat dissipation problem is more prominent. To improve the working life and reliability of LED， three key factors of fan wind?speed， fin thickness and fin row?space which affect the heat dissipation of multi?row high?power LEDs are studied by means of special thermal analysis software ANSYS ICEPAK. The research results show that the substrate temperature is decreased with the increase of fan wind?speed， raised after reducing with the increase of the fin thickness， and raised after reducing with the increase of fin row?space.. The effective improvement measures are put forward respectively. The parameter optimization of the initial model was conducted. The fan wind?speed was optimized from the initial 0.005 kg/s to 0.010 kg/s， the fin thickness was optimized from the original 0.018 m to 0.012 m， and the fin row?space was optimized from the initial 0.014 m to 0.010 m. The optimized substrate temperature is 81.31 ℃， which is 25.69 ℃ lower than the original temperature 107 ℃.

Keywords： multi?row array； high?power LED； ANSYS ICEPAK； influence factor； thermal design

隨著LED 芯片的輸入功率不斷增大，其散熱問題越來越突出，影響LED 的使用壽命和可靠性。因此，對大功率LED 進行合理的熱設計，提高其散熱能力成為亟待研究的熱點之一。文獻[1?5]分析了翅片高度、散熱片面積、熱沉平均高度、熱沉厚度和熱沉數目、密封材料、鍵合材料、散熱基板等對LED燈具的影響。并指出在LED光源與燈具散熱板接觸處，使用導熱系數高的材料；燈具散熱性能隨著熱沉平均高度和熱沉數目的增大而增強，但當變化達一定值時，這一趨勢減緩；隨著熱沉厚度增加，散熱器散熱能力先增后減。文獻[6?8]使用COMSOL，Matlab，CFD熱仿真軟件，對銅基板厚度、氧化鋁層厚度、散熱片厚度、散熱器材料選擇、LED顆數及其間距、材料導熱率設置等影響燈具散熱的因素進行優化，優化后的LED工作溫度更為理想，能有效提高LED燈具的壽命。本文使用ANSYS ICEPAK軟件探討影響大功率LED散熱的關鍵因素，并根據影響因素對初始模型進行優化設計，有效降低了多排陣列大功率LED燈具的溫度。

1 多排陣列大功率LED建模及仿真

多排陣列大功率LED照明燈具的機柜包含34個LED熱源（密封在1個腔體內），1塊基板，34個翅片，3個風扇，和1個自由開孔。翅片和基板用鋁擠壓型材，每個風扇質量流量為0.005 kg/s，每個熱源功率為10 W，翅片的厚度為0.018 m，y方向翅片的行間距為0.014 m，腔體的傳熱系數為15 W/（m2·K）。根據設計目標，當環境溫度為20 ℃時，設備的基板溫度不超過90 ℃。完整的LED照明燈具的模型如圖1所示。

圖1 LED照明燈具模型

為了簡化計算，在確保計算精度的前提下，做出以下幾點假設：

（1）認為空氣是不可壓縮流體。

（2）空氣進口溫度設為環境溫度。

（3）忽略翅片和基板的接觸熱阻，認為二者接觸部分的溫度相同。

（4）將熱源簡化為二維熱源，使其緊貼基板；忽略熱源與基板之間的接觸熱阻，認為二者接觸部分的溫度相同。

由于溫度升高使元件所受的熱應力增大，當熱應力超過材料的屈服強度時材料就會失效，致使元件的性能下降。所以本文以系統內最高溫度作為評價翅片式散熱器可靠性的指標。

本文以緊貼熱源的基板最高溫度作為評價指標。計算出雷諾數為6 919.76，選擇Realized two equation湍流模型進行計算，得出在此工況下，基板的溫度分布云圖，如圖2～圖3所示。越遠離風扇，基板的溫度越高，呈逐漸增高的趨勢。基板的最高溫度出現在空氣出口附近；基板的最高溫度是107 ℃，大于90 ℃，所以此時的風量不可以冷卻這些熱源；所以需要對此模型進行優化。

圖2 基板的溫度云圖

圖3 y方向背板中心線溫度變化

2 關鍵因素對多排陣列大功率LED的影響

影響LED燈具散熱的因素有很多，如結構構件間的熱阻，散熱系數，材料，熱傳導系數，散熱片散熱面積，鋁基板LED的顆粒分布，散熱片形狀設計，翅片分布等。下面分別考慮風扇質量流量、翅片厚度、翅片行間距三個因素對基板溫度的影響。

2.1 風扇質量流量對LED燈具散熱的影響

只改變風扇質量流量大小，其他條件不變的情況下，對此LED燈具進行數值模擬。圖4是改變風扇質量流量，使其從0.005 m/s逐漸增大到0.020 m/s，其他條件不變的情況下，基板隨風扇質量流量的變化曲線。圖4顯示，隨著質量流量的增大，基板的溫度降低。在質量流量增大到0.010 kg/s時，基板溫度為86.34 ℃，低于所要求的90 ℃，已經滿足要求。因此選擇最優的風扇質量流量為0.010 kg/s。

圖4 基板溫度隨風扇質量流量的變化曲線

2.2 翅片厚度對LED燈具散熱的影響

將所有風扇的質量流量設為0.010 kg/s，然后依次改變翅片厚度，從0.010 m增大到0.018 m，其他條件不變，對此LED燈具進行數值模擬。如圖5所示，隨著翅片厚度的增加，基板溫度先降低再升高。在翅片厚度為0.012 m時，基板溫度為84.98 ℃，基本達到最低。因此，可以將模型的翅片厚度設為0.012 m。

2.3 y方向翅片行間距對LED燈具散熱的影響

將風扇質量流量均設定為0.010 kg/s，翅片厚度均設為0.012 m。然后依次改變翅片的行間距，使其從0.006 m增大到0.026 m，對修改后的LED模型進行數值模擬。如圖6所示，隨著翅片行間距的增大，基板的溫度先降低后逐漸增加。在翅片行間距為0.010 m時，基板的溫度最低，為81.31 ℃。所以建議在布置翅片時，合理選擇翅片的行間距。在此選擇最優的翅片行間距為0.010 m。

圖5 基板溫度隨翅片厚度的變化曲線

圖6 基板溫度隨翅片行間距的變化曲線

3 多排陣列大功率LED的優化設計

綜合考慮風扇質量流量、翅片厚度以及翅片行間距三個因素對基板溫度的影響及分析，將風扇質量流量從初始的0.005 kg/s優化為0.010 kg/s，翅片厚度從初始的0.018 m優化為0.012 m，y方向翅片行間距從初始的0.014 m優化為0.010 m，其他條件不變。在此工況下，對優化后的LED進行數值模擬，得到基板的溫度云圖，如圖7所示。優化后基板的最高溫度為81.31 ℃，而優化之前基板的溫度是107 ℃，二者相比，優化后比優化前的基板溫度降低了25.69 ℃。由此說明，更改模型的某些參數可以有效降低LED模型的基板溫度。因此在設計模型時，應盡量選擇最優的尺寸。

4 結語

對多排陣列大功率LED數值模擬，研究風扇風量、翅片厚度、翅片行間距三個關鍵因素對基板溫度的影響；結果得出基板的最高溫度隨風扇風量的增加而降低，隨翅片厚度的增加而先降低后升高，隨翅片行間距的增加也是先降低后升高。

圖7 優化后基板的溫度云圖

LED燈具的初始風扇質量流量、翅片厚度、翅片行間距分別為0.005 kg/s，0.018 m，0.014 m。對其進行優化，得出其可靠性工作的最優參數：風扇風量都是0.010 kg/s，翅片厚度是0.012 m，翅片行間距是0.010 m。

優化后基板的溫度比優化前降低了25.69 ℃。優化后基板的最高溫度是81.31 ℃，小于90 ℃，所以優化后的工況可以冷卻這些熱源。

注：本文通訊作者為周俊杰。

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