大功率紫外LED水冷設計及模擬優化

王 杰 ，李 健 ，范冰豐 ，王 鋼 ，3

（1.中山大學 電子與信息工程學院，廣東 廣州 510000；2.中山大學 先進技術研究院，廣東 廣州 510275；3.光電材料與技術國家重點實驗室，廣東 廣州 510275）

1 引言

LED半導體芯片具有體積小，重量輕，壽命長，引出線和焊接點少，安全性和穩定性高等優點，同時成本低，便于大規模生產和應用[1-2]。但芯片集成度變得越來越高，功率變得越來越大的同時也帶來了許多問題，如電路板在運行過程中的散熱問題，如果不能將功率器件產生的熱排除，半導體結溫升高，會使得器件可靠性急劇下降甚至失效[3-6]。近年來紫外LED[7]芯片技術和封裝技術得到了快速發展，許多國家和地區都爭相投資研發紫外LED光源，這也將進一步推動有關光電子、材料、器件、芯片制造及封裝等行業的發展。紫外LED相比傳統光源具有發光效率高、顯色性好、輻射低、靈敏度高、節能環保等特點，在特殊照明、紫外殺菌、水凈化、醫療，尤其是在紫外光固化[8-9]等領域具有廣泛的市場應用前景。

目前紫外LED的光輻射功率還比較低，大功率紫外LED的電光轉換效率約為（15～20）%，剩余的電能全部轉化為熱能，而且LED芯片大小僅為（1×1）mm左右，導致其熱流密度非常大。如果芯片產生的大量熱量集中在芯片內部而不能及時排除，就會導致芯片PN結溫度過高，引起光衰和芯片壽命下降等問題。當芯片PN結溫度超過一定值時，LED的失效率將呈指數規律急劇增大，芯片溫度每升高2℃，伴隨著可靠性下降10%左右[10]。為了保證LED的正常工作，一般要求芯片PN結的溫度不高于110℃（Tk=383.15K），且溫度分布均勻，所以一方面要提高芯片的質量，另一方面要改進封裝過程中大功率芯片帶來的散熱問題。水冷板是當前最常使用的用于給高熱流密度集成器件散熱的設備，具有散熱效果好，噪聲低，體積小等優點[11-12]。水冷板散熱模型，芯片中集成了大量的LED半導體器件，黏貼在基板上，基板一方面方便傳遞熱量，另一方面避免水冷板與芯片直接接觸，阻止水冷板中的冷卻液與芯片接觸導致短路破壞芯片，如圖1所示。基板嵌入水冷板中，芯片產生的熱量通過基板傳至水冷板，再通過其中的冷卻液帶走。

圖1 水冷板結構圖Fig.1 Structure of Water-Cooled Panel

系統中水冷板材料為Al，基板材料為Cu，冷卻液入口和出口處的材料為Cu，其材料性能參數，如表1所示。

表1 材料鋁和銅的性能參數Tab.1 The Performance Parameters ofAluminum and Copper

2 水冷板芯片溫度的理論計算

2.1 雷諾數計算

式中：v、ρ、η—流體的流速、密度與粘度；d—管道直徑。

Re＜2300 為層流狀態，Re=（2300～4000）為過渡狀態，Re＞4000為湍流狀態，Re＞10000為完全湍流狀態（實踐中Re＞3000即可判斷為湍流）。水的物理參數，如表2所示。管道直徑取水流出入口直徑0.01m，流速最小值和最大值為0.5m/s和2.5m/s。得到v=0.5 0m/s時，Re=998.2*0.5*0.01/（1.003*10e-3）=4976。v=2.5m/s時，Re=998.2*2.5*0.01/（1.003*10e-3）=24880。Re≥2300，屬于湍流狀態。

表2 水的主要物理參數值Tab.2 The Main Physical Parameters of Water

2.2 水冷板溫度計算

水冷板的初始條件為：芯片的熱耗散功率為1800W，冷卻液為水，進口水溫為300K，入口管道橫截面面積為7.8×10-5m2，管徑為0.01m。水冷板基板表面的推算溫度為：

式中：t—冷卻水初始溫度，即進口水溫；Δt1—冷卻水的溫升；Δt2—基座與冷卻水的溫差；Δt3—基板與基座的溫差。

入口流速為1m/s時，則冷卻水的入口流量為：

式中：S1—入口管道橫截面面積。

式中：φ—芯片的熱耗散功率。

水的雷諾數由Re=ρvd/η計算得到，Re=9952。水側換熱系數：

水冷板的換熱面為長方體的內表面，其表面積S2為0.0208m2。

基座到基板表面的材料為銅，其導熱系數為K=398W/（m·K），熱傳導長度為基板厚度ΔL=0.0025m。

式中：A—換熱面積即芯片與基板的接觸面積。

最后得到基板表面溫度為：

同樣可以計算得到流速為 0.5m/s，1.5m/s，2m/s，2.5m/s時的水冷板基板溫度，如表3所示。

表3 不同流速下的水冷板基板溫度計算結果Tab.3 Calculation Results of Water-Cooled Panel Substrate Temperature in Different Flow Rates

3 數值模擬

3.1 建立模型

設計的兩種模型，如圖2所示。水冷板模型Ⅰ的冷卻液出入口在水冷板同一側，而水冷板模型Ⅱ的出入口在兩側，水冷板中都加有波紋管，有效增大了基板和冷卻液的接觸面積，有利于散熱[13-14]。通過研究對比基板表面最高溫度和平均溫度來確定最佳模型。

圖2 兩種水冷板模型Fig.2 Two Kinds of Water-Cooled Panel Model

3.2 網格劃分

采用Icem CFD軟件將這兩個模型劃分為四面體網格，水冷板模型Ⅰ劃分網格總數為1857 201，節點數為377 773；水冷板模型Ⅱ劃分網格總數為1774 634，節點數為361 549。

3.3 數值模擬

流體流動要受物理守恒定律的約束，基本的守恒定律包括：質量守恒、動量守恒、能量守恒[15-16]。單位體積內流體的總能量即為動能與內能之和。

3.3.1 質量守恒方程（Mass conservation equation）

質量守恒：控制體內質量的增加=流入控制體的質量

3.3.2 動量守恒方程（momentum equations），也稱運動方程

動量守恒：控制體內的動量增加=流入的動量+表面力的沖量+體積力的沖量。表現為：

式中：μ—動力粘度；Su、Sv、Sw—動量守恒方程的廣義源項。

3.3.3 能量守恒方程（energy conservation equation）

能量守恒：控制體內的能量變化=流入的能量+表面力做功+體積力做功+傳入熱量。

式中：Cp—比熱容；T—溫度；k—流體的傳熱系數；sT—流體的內熱源。

上述方程中，當時間項為0時，即為穩態模擬，當時間項不為0時，即為瞬態模擬。在Fluent中選擇壓力基穩態計算，開啟能量方程Energy和湍流模型k-epsilon，確定邊界條件，邊界條件，如表4所示。Fluent中對壓力、速度耦合使用SIMPLEC算法，對動量和能量等選擇Second Order Upwind，選擇控制體積法進行離散計算。

表4 模擬邊界條件Tab.4 Simulation Boundary Conditions

3.4 兩種水冷板模型在相同工況下的對比

水冷板在1m/s入口流速下的速度和溫度云圖對比，如圖3、圖4所示。通過對比云圖可以看出，在不同模型水冷板中冷卻液的流動流速分布區別較大，雖然兩者在散熱面積上是一樣的，但水冷板模型Ⅰ中冷卻液在水冷板中的流動路徑更長，流動范圍更廣，幾乎是水冷板模型Ⅱ的兩倍，有充分的時間可以帶走更多的熱量，且芯片中央溫度分布更加均勻，所以水冷板Ⅰ的散熱效果更好。

圖3 水冷板在1m/s入口流速下的速度云圖Fig.3 Velocity Contours of Different Model Under Inlet Velocity of 1m/s

圖4 水冷板在1m/s入口流速下的溫度云圖Fig.4 Temperature Contours of Different Model Under Inlet Velocity of 1m/s

模擬得到的具體數值，如表5所示。水冷板模型Ⅰ的板面平均溫度和最高溫度均低于水冷板模型Ⅱ，但水冷板模型Ⅰ壓降也遠高于水冷板模型Ⅱ，水冷液傳輸路徑的增加消耗了更多的能量。

表5 水冷板模型Ⅰ和模型Ⅱ在流速1m/s的模擬結果Tab.5 Simulation Results of ModelⅠandⅡUnder Inlet Velocity of 1m/s

3.5 水冷板Ⅰ的模擬結果

水冷板Ⅰ在各流速條件下模擬得到的具體參數，如表6所示。平均溫度和最高溫度的數值大小顯示了水冷板的散熱效果；而冷卻液出入口的壓降是流體在管中流動時由于能量損失而引起的壓力降低，其數值顯示了水流流動消耗能量的大小。

表6 水冷板Ⅰ在不同流速下的模擬結果Tab.6 Simulation Results of ModelⅠUnder Different Inlet Velocity

從模擬結果可以看出，水冷板模型Ⅰ的板面溫度隨著入口流速的增加而逐漸下降，隨著流速增加，壓降成倍增加的同時水冷板溫度卻下降平緩，而水流速度過大不僅需要更高功率的水泵，同時也會產生大的噪音，并且造成水電浪費，所以說在滿足芯片降溫的前提下選擇流速較低最合適。

4 計算和模擬結果對比分析

對比表3和表6，其冷卻液流速與板面溫度關系曲線如圖5所示，理論計算數值和仿真結果的數值變化趨勢基本保持一致，溫度都隨著流速的增加而下降，而且數值相差不大。在低入口流速0.5m/s下由于冷卻液流量很小，隨著入口流速的增加，流量變化很劇烈（增加了一倍多），所以冷卻水溫升在低流速下發生陡變，隨著流速的逐漸增加流量變化逐漸平緩，溫度計算數值值更加趨近于模擬數值。從圖5也可看出隨著流速的繼續增加，曲線的趨勢越來越接近。

圖5 水冷板基板表面溫度計算值與模擬數值曲線圖Fig.5 Water-Cooled Panel Surface Temperature Calculated Value and Simulation Value Graph

計算結果和模擬數值的差值率，如圖6所示。最大誤差僅為3%，且入口流速在1m/s后曲率持續降低，計算值和模擬數值差異越來越小，說明計算值和模擬數值擬合得很好，同時也驗證了水冷板模型設計的正確性。

圖6 計算值與模擬值差值率Fig.6 Rate Difference of Calculated Value and Numerical Simulation Value

5 結論

（1）水冷板理論設計有一定的局限性，通過模擬數值和理論計算數值對比，最大誤差僅為3%，相互驗證了模擬結果和計算結果的可靠性，為設計優化水冷板水道提供了指導。（2）芯片中央區域的溫度分布較為均勻，溫度差最大為4K。說明了用該水道散熱設計的合理性，增加冷卻水流路徑可以有效的提高水冷板散熱能力，從單水道到U型水道散熱效果有很大提升。（3）此水冷板水道隨著流速增加溫度下降不明顯，但是所需壓力卻成倍數增加，因此在考慮在芯片溫度承受能力的基礎上進行降低進水流量設計。

［1］楊雄鵬，張磊.IGBT用水冷板式散熱器的數值模擬［J］.電子機械工程，2014，30（2）：43-45.（Yang Xiong-peng，Zhang Lei.Numerical simulation of forced liquid cooling system with cold plate for IGBT［J］.Electro-Mechanical Engineering，2014，30（2）：43-45.）

［2］王玉玨，杜雪濤.水冷式熱管散熱器在服務器中的應用研究［J］.機械設計與制造，2015（5）：39-42.（Wang Yu-jue，Du Xue-tao.Water cooling heat pipe radiator application research on the server［J］.Machinery Design and Manufacture，2015（5）：39-42.）

［3］苗苗，王碩，李雪冬.S形水道水冷板傳熱特性研究［J］.鐵道機車與動車，2013，478（12）：16-18.（Miao Miao，Wang Shuo，Li Xue-dong.Study on heat transfer characteristics of water cooling plate in S shaped water channel［J］.Diesel Locomotives，2013，478（12）：16-18.）

［4］劉鵬飛，張海峰，李正熙.大功率電子束熔煉爐高壓電源散熱設計與仿真［J］.計算機仿真，2015，32（5）：239-242.（Liu Peng-fei，Zhang Hai-feng，Li Zheng-xi.Cooling design and simulation of high-power and high-voltage source of electron beam melting furnace［J］.Computer Simulation，2015，32（5）：239-242.）

［5］賀榮，龔曙光，李純.基于Fluent的水冷板式散熱器數值模擬與試驗研究［J］.流體機械，2010，38（2）：57-60.（He Rong，Gong Shu-guang，Li Chun，Chen Min.Experimental study and numerical simulation of the water-cooled plate radiator based on fluent［J］.Fluid Machinery，2010，38（2）：57-60.）

［6］余軍，馬雅青，趙振龍.電動汽車用水冷散熱器的設計及仿真［J］.大功率變流技術，2015（3）：51-53.（Yu Jun，Ma Ya-qing，Zhao Zhen-long，Jiao Ming-liang.Design and simulation of water-cooled radiator used in electric vehicle［J］.High Power Converter Technology，2015（3）：51-53.）

［7］Taguchi T.Japanese semiconductor lighting project based on ultraviolet LED and phosphor system.Proc.SPIE，2001（4445）：5-12.

［8］Dasgupta P K，Li Q，Temkin H.Application of deep UV LEDs to chemical and biological sensing.Proc.SPIE，2004（5530）：174-181.

［9］Liu H，Tang Z，Shi T，Liao G.Optical and thermal modeling of ultravioletled arrays packaging for curing application.Proc.SPIE，2009（7279）.

［10］馬偉.紫外LED封裝技術研究［D］.武漢：華中科技大學，2011.（Ma Wei.Study on ultraviolet LED packaging technology［D］.Wuhan：Huazhong University of Science and Technology，2011.）

［11］習穩慶.行波管用水冷板設計［J］.艦船電子對抗，2002，25（3）：42-45.（Xi Wen-qing.Design of water cooled plate for traveling wave tube［J］.Ship Electronic Engineering，2002，25（3）：42-45.）

［12］杜雪濤，王玉玨，李勇.水冷型熱管散熱器水冷板結構的數值模擬及試驗研究［J］.機械設計與制造，2016（2）：12-16.（Du Xue-tao，Wang Yu-jue，Li Yong.Numerical simulation and experimentalresearchofcoolingplatestructureonwatercoolingheatpiperadiator［J］.Machinery Design and Manufacture，2016（2）：12-16.）

［13］Tien-Yu Lee.Design optimization of an integrated liquid-cooled igbt power module using cfd technique［J］.IEEE Transactions On Components and Packaging Technologies，2000，23（1）：55-60.

［14］Laxmidhar Biswal，Suman Chakraborty，S.K.Som.Design and optimization of single-phase liquid cooled microchannel heat sink［J］.IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies，2009，32（4）：876-886.

［15］丁杰，李江紅，陳燕平.流動狀態與熱源簡化方式對IGBT水冷板仿真結果的影響［J］.機車電傳動，2011（5）：21-25.（Ding Jie，Li Jiang-hong，Chen Yan-ping，Zhang Chen-lin.Effects of flow regime and heat source simplifications on simulation results for watercooling plate of IGBT［J］.Electric Drive For Locomotives，2011（5）：21-25.）

［16］孫蕾.水冷基板散熱器冷卻電力機車電器元件研究［D］.大連：大連交通大學，2014.（Sun Lei.Numerical simulation of water-cooled radiator cooling electric locomotive electrical［D］.Dalian：Dalian Jiao tong University，2014.）