考慮制造缺陷的大功率LED燈翅片散熱性能研究

王　斌，劉紅軍，柴　華，萬　瑋

（深圳風環境技術工程實驗室，深圳市城市與土木工程防災減災重點實驗室，深圳研究生院，哈爾濱工業大學，廣東 深圳518055）

考慮制造缺陷的大功率LED燈翅片散熱性能研究

王斌，劉紅軍，柴華，萬瑋

（深圳風環境技術工程實驗室，深圳市城市與土木工程防災減災重點實驗室，深圳研究生院，哈爾濱工業大學，廣東 深圳518055）

隨著白熾燈逐漸退出歷史舞臺，人們對于新光源的需求越來越迫切。大功率LED燈因其顯著的優點而被人們所重視，但是其散熱問題不容小覷。利用CFD計算軟件對LED散熱系統進行非定常熱耦合分析，通過對比有制造缺陷的大功率LED燈在不同工況下的溫度分布及外部流場流線分布，進而分析制造缺陷對大功率LED燈翅片散熱的影響。

LED散熱；制造缺陷；數值計算

LED散熱問題對于大功率LED燈的使用壽命有著極其顯著的影響，而制造缺陷是影響其散熱性能的一個主要因素，因此對于考慮制造缺陷的大功率LED燈翅片散熱性能的研究有著重要的意義。

本文所討論的制造缺陷為封裝工藝的不足，從而對LED芯片產生影響。針對不同的封裝技術，LED散熱途徑不同［1］。張樓英等［2］指出大功率LED封裝中的散熱問題對于器件的輸出功率和壽命有很大的影響，強調了LED模塊散熱設計的重要性，在選擇中高熱導率材料以及使用低熱阻、散熱良好的封裝結構兩個方面做了闡述。Lee Sung-jun等［3］通過研究提出利用金屬材料進行封裝的優良性。You J.P等［4］通過實驗研究發現封裝材料的熱阻在LED整體熱阻中占有很大的比例，提出封裝材料的選取對于大功率LED散熱的重要性。目前，國內大量LED封裝企業采用Luxeon支架式封裝。其中，封裝關鍵的技術在于熒光粉的涂覆工藝。如果工藝控制不好，將造成大功率LED封裝產品在空間上的光學性能不一致，從而對LED散熱產生非常大的影響。除此之外，焊接生產工藝控制不當或壓焊工序控制不嚴格等因素也會導致封裝工藝中產生缺陷，使得LED發光強度減弱，可靠性降低。統計數據［5-6］：焊接系統的失效占整個半導體失效模式的比例是25%～30%.本文通過CFD對LED散熱系統進行非定常熱耦合分析，來探究制造缺陷，即封裝工藝對于大功率LED燈散熱性能的影響程度。

1　數值模擬

1.1制造缺陷

LED封裝過程如果存在缺陷，等效于壓焊絲與芯片電極間引入串聯電阻R，因此，對于封裝缺陷的LED芯片產生的熱量將會大于沒有封裝缺陷的LED芯片產生的熱量，根據蔡友海的LED封裝缺陷分析，壓焊工序中焊線與芯片電極間的接觸電阻為：

式中：ρ1為焊線電阻率，ρ2為芯片電阻率。重復焊接時，上次壓焊產生的熱量會使芯片電極表面氧化，在電極表面產生一定厚度膜層，由霍姆接觸理論，此時流過該非金屬膜層的電流是通過隧道效應實現的。設單位面積隧道電阻率為ρr（ρr與膜層厚度有關），則膜層電阻為Rr＝ρr/S，Rc改寫為：

上次焊點未清除干凈，造成芯片電極表面粗糙度增加，兩者接觸面積S減小，則Rc增大。芯片電極氧化或上次焊點未清除干凈，都將使電阻Rc增大，若兩者同時存在，則Rc增幅更大。Rc增大則相同電流下產生的熱量更多，本文通過對主流LED研究發現，由于制造缺陷增加的熱量約為原有熱量的1.1倍。

1.2CFD模型

為了準確描述LED自然對流散熱過程中邊界層內物理變量的分布特征，同時獲得較高的計算精度和效率，擬采用非等間距網格離散計算區域，即網格在靠近壁面處較密集，用較多的網格節點來捕捉物理變量的大梯度變化，在遠離壁面的非重要區域較為稀疏。

本文針對的是自然對流，評價自然對流湍流特性的參數為便瑞利數Ra.其定義為：RaL=g β▽TL3ρ /μa（以長度為基準）；Ras=g β▽TS3ρ/μa（以間距為基準）。經過驗證Ra數量級在109上，所以本項目選擇帶浮力修正的k-ε模型和P-1模型計算對流換熱和熱輻射。通過該數學模型對LED陣列的自然對流散熱過程進行數值模擬，分析其自然對流流動和散熱特性。

計算域包括固體區域和流體區域兩部分。對固體區域，由于不存在對流，僅求解能量方程和輻射方程，且能量方程中無對流項。由于速度進出口邊界條件和自由流動邊界條件不適用于可壓縮問題，而壓力遠場邊界條件只能用于理想氣體，因此在Fluent模擬設置中使用壓力進口和壓力出口的邊界條件。空氣溫度為300 K，芯片發熱效率為64.8 W，換算為單位體積則為8×108W/m3.模擬的計算方法和求解參數選擇Fluent的默認形式。在模擬計算時，對基本方程的離散采用基于節點的有限體積法。壓力速度的耦合采用SIMPLE算法。對流換熱選擇P-1輻射模型。

在生成計算域時，域內充滿流體介質。加入計算域后，運用ICEM（CAE前處理工具，可以做流體、結構等的前處理）可以實現流固耦合面的網格化分。LED取原來的1/4大小，相應的計算域大小為500 mm×500 mm×1 000 mm，采用多尺度CFD模擬方法，對LED附近熱量變化較大區域進行精細化劃分。同時為了降低網格劃分對結果的影響，在大小區域中，網格劃分密度都是一樣的。由于散熱器及計算域的幾何形狀非常規則，且為了更好地控制網格質量及數量，本文采用分塊劃分結構化網格的方法，將計算域分成很多規則的立方體，然后再以從邊到面，再到體的順序進行結構化網格劃分。網格總數約為106個。

1.3工況設置

本文采用正交試驗法，影響LED散熱因素為5個，每個因素取4個水平，即取翅片厚度（1.0 mm、1.7 mm、2.4 mm、3.1 mm），翅片間距（5 mm、10 mm、15 mm、20 mm），翅片高度（20 mm、30 mm、40 mm、50 mm），開縫（0條、1條、2條、3條）以及底板厚度（4 mm、5 mm、6 mm、7 mm），以LED最高溫度為試驗指標，選取正交表L16（45）.

2　制造缺陷結果模擬分析

根據正交試驗表中的16種工況，對具有制造缺陷的LED散熱系統進行非定常熱耦合分析。十六種工況仿真模擬結果分別與正常LED散熱結果進行對比，如圖1和圖2所示。

圖1　有無缺陷溫度對比圖

圖2　有無缺陷溫差圖

從圖1和圖2看出，有制造缺陷的LED散熱性能普遍比沒有制造缺陷的LED散熱性差，但是有制造缺陷和沒有制造缺陷的LED最高溫度之間的溫差卻不相等，有高有低。這說明每個工況抵抗制造缺陷的能力不一樣。為研究制造缺陷對流場的影響，分別對比工況8和工況16的流線圖，從中發現規律。

觀察兩個工況的流線圖可以得出，制造缺陷對不同工況下的流場影響程度不同，工況8的影響程度較大，溫度上升幅度較大，工況16影響幅度較小，溫度上升幅度較小。從中可以看出流場受影響較小的工況，溫度變化也就越小。

3　結束語

針對制造缺陷對于大功率LED翅片的散熱問題，將其等效于壓焊絲與芯片電極間引入串聯電阻R，并建立CFD模型，對其進行非定常熱耦合分析，在熱阻增大為原來的1.1倍的情況下，根據正交實驗法設計了不同散熱翅片厚度、間距、高度、開縫條數及底板厚度的十六個工況，LED芯片的最高溫度相比正常環境中工作的LED芯片溫度提高了1.99℃至6.91 ℃.由此可見制造缺陷會使芯片電阻增加，從而導致芯片產生的熱量增多，對于大功率LED燈的散熱性能有相當的影響。所以在制造過程中需要引起足夠的重視，并利用優良的封裝材料以及封裝技術來增強其散熱性能，從而擴大大功率LED燈的普及范圍。

［1］沈忠良，盧冰，李思文，等.大功率LED強化散熱技術進展［J］.輕工機械，2013，（2）：107.

［2］張樓英，李朝林.LED封裝中的散熱研究［J］.電子與封裝，2009，9（5）：1.

［3］LEE Sung-jun，PARK Ji-hyun，LIM Chang-hyun，et al. MEMS based metal plated silicon package for high power LED［J］.Key Engineering Material，2006，（1）:326-328.

［4］YOU J P，HE Y，SHI F G，Thermal management of high power LEDs:impact of die attach materials［C］IMPACT. 2007 International Microsystems，Packaging，Assembly and Circuits Technology Conference，Taipei:IMPACT，2007:239-242.

［5］李樂，朱傳云，沈君，等.利用正向電壓下的導納檢測半導體二極管的新方法［J］.河北師范大學學報：自然科學版，2003，27（3）:251-255.

［6］路峰.LED芯片自動測試和分選系統設計［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2005.

Study on the Heat Dissipation Performance of High Power LED Lamp With Manufacturing Defects

WANG Bin，LIU Hong-jun，CHAI Hua，WAN Wei
（Shenzhen Engineering Lab for Wind Environment and Technology，Shenzhen Key Lab of Urban&Civil Engineering Disaster Prevention&Reduction，Shenzhen Graduate School，Harbin Institute of Technology，Shenzhen Guangdong 518055，China）

With incandescent lamps gradually withdraw from the stage of history，the demand of people for new sources of light becomes more and more urgent.High power LED lamp is wildly used for its significant advantages，however，the heat dissipation problem can not be underestimated.This page made non thermal coupling analysis with the help of CFD calculation software of LED cooling system，through the contrast of a manufacturing defect of high power LED lights in different conditions of temperature distribution and external flow line distribution，and then analysis the impact of manufacturing defects of high power LED lamp radiating fins.

LED heat sink；manufacturing defects；numerical calculation

TN312.8

A

1672-545X（2016）07-0122-03

2016-04-06

本課題得到深圳市知識創新計劃研究項目：“基于微觀流動分析的功率型LED翅片散熱研究”（項目編號：JCYJ20130329145813840）資助。

王斌（1993-），男，浙江杭州人，在讀研究生，研究方向：結構工程；柴華（1992-），女，內蒙古呼和浩特人，在讀研究生，研究方向：結構工程。