基于有限元分析法的UV-LED固化散熱仿真研究

林 鵬， 劉 昕

(西安理工大學 印刷包裝與數字媒體學院， 陜西 西安 710054)

UV-LED具有壽命長、可靠性好、光效高、耗電量少等優點，在UV固化領域逐漸取代傳統的高壓汞燈[1]。LED的光電轉換效率為20%，剩余80%的電能都會轉換成熱量，而熱量聚集在一起導致LED芯片結溫升高[2]。若不能及時發散這部分熱量，將會導致LED發光效率降低、顯色指數下降、加速突光粉其器件的老化等一系列問題，縮短其工作壽命，因此散熱的問題成為UV-LED行業的重點研究對象。

近年來，Hao等[3]研究自然對流下針翅式散熱器的熱性能，發現1～5 W熱耗條件下，翅片傾角為0°時散熱性能最好，并發現可以通過增加輻射換熱來增強傳熱。Jasim[4]對散熱器進行熱性能改進，將板翅式和針翅式翅片進行融合，在自然對流下測試發現，該散熱器傳熱增加41.6%，熱阻降低12%。Jeong等[5]提出自然對流條件下，在散熱器基座和翅片開口的熱性能改進方法，發現10 W熱耗輸入情況下，散熱器熱阻降低30.5%，芯片發光效率提高23.7%。以上研究均針對自然對流下較低熱耗的散熱情況，而實際情況是，陣列式UV-LED芯片的功率密度較大，熱耗高，通常采用強制對流的方式代替自然對流進行冷卻。本文對強制對流散熱結構進行有限元分析，用針翅式散熱片代替傳統板翅式散熱片，在高功率熱耗條件下優化改進散熱器的結構參數，增強散熱器的散熱性能，對UV-LED的散熱系統的實際應用提供一定的指導意義。

1 理論分析

熱量傳遞有三種基本方式：熱傳導、熱對流和熱輻射，在流體與固體之間的傳熱方式主要是熱對流和熱傳導兩種方式。

建立從LED芯片到翅片散熱器的熱阻網絡模型，見圖1。

圖1 散熱系統結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of the heat dissipation system

圖1中，Tj為LED芯片溫度，Rj1,Rj2…Rjn為單顆芯片到AlN基板的熱阻；Tb為AlN基板溫度，R2為基板接觸熱阻；Tt為導熱硅脂溫度，R3為導熱硅脂的熱阻；Tc為翅片溫度，R4為散熱器熱阻；Ta為環境溫度。LED芯片產生的熱量通過熱傳導依次通過AlN基板、導熱硅脂和翅片散熱器，最后通過熱對流方式將熱量發散到空氣中去。

根據傳熱方程式得到熱阻的計算公式：

(1)

式中：P為芯片散熱總功率；Δt為溫差;Rt為總熱阻。因為AlN基板上的LED芯片為并聯封裝，所以：

(2)

故芯片結溫計算公式為：

(3)

在環境溫度和芯片散熱總功率一定條件下，芯片結溫Tj與總熱阻Rt呈正比關系。要降低芯片結溫，必須減小熱阻。假定芯片一定，其內阻是定值，因此散熱器的熱阻是影響芯片結溫的關鍵因素。

熱阻的計算公式可以按下式計算：

(4)

式中：σ為沿熱流方向的材料厚度；λ為導熱系數；S為垂直于熱流方向的材料面積。

在散熱器基板一定時要想降低散熱器的熱阻，必須增加翅片與冷卻流體的接觸面積，可以通過改變接觸面來有效地破壞壁面附近的層流邊界。根據流動動力學，當均勻氣流通過孔洞時，兩側的壓力分布不同，空氣將從一表面進入另一表面，破壞固體表面層流邊界層，增加熱交換，提升散熱器的散熱能力[6]。

2 有限元仿真與結果分析

有限元法[7]是一種數值計算方法，將物體離散成有限個按一定方式聯結在一起的單元的組合體，把原先連續的具有無限自由度的問題簡化為離散的具有有限自由度的問題進行求解。利用ANSYS軟件[8]強大的前處理和后處理功能可以對模型進行設計分析。

2.1 散熱結構設計

實驗選用75顆1 W、波長395 nm、光電轉換效率為20%的 LED芯片，芯片采取陣列式5×15排布，之間間隔2 mm，總發熱量P為60 W。將兩種翅片結構進行分別建模、裝配，整體結構見圖2。

圖2 散熱器結構示意圖Fig.2 Radiator structure diagram

圖2翅片高度均為30 mm。翅片散熱器的基座與翅片之間連接為擠壓成型，將散熱器視為一個整體。芯片封裝在AlN陶瓷基板上，基板與翅片散熱器之間填充導熱硅脂。因芯片向下傳導的熱阻較大，故將向下近似為絕熱，各構件屬性特征見表1。利用SolidWorks軟件對強制對流風扇、外殼、防塵網和散熱器進行裝配，構成一個便攜式固化機模型，以便對此結構進行直接熱仿真實驗，見圖3。

表1 LED 陣列、基板和散熱器的參數Tab.1 Parameters of LED array, substrate and heat sink

圖3 UV-LED固化機模型Fig.3 UV-LED curing machine model

2.2 ANSYS熱仿真

為了減少模型劃分網格的數量和降低計算量，用二維面熱源來代替LED陣列面板，設定二維熱面源的熱耗為60 W。因Icepak中無法對自建模型進行參數化實驗，故在Icepak進行重新建模，仿真實驗模型見圖4。

圖4 Icepak仿真模型Fig.4 Icepak simulation model

防塵網的開孔率設定為0.8，通風孔類型為Circular metal wire screen，阻力系數為0.322 50；風扇型號為Sunon.MC30151V1-0000-A99，功率0.65 W，最大流量為6.027 5 CFM，RPM為8 500；環境溫度設定為20 ℃；忽略輻射換熱；氣流類型為湍流。

2.3 針翅式與板翅式散熱器仿真實驗

依據控制變量原則，改動散熱器的翅片結構，其他設定不變。板翅式翅片數量設置為6行，厚度2 mm。針翅式翅片數量設置成6行21列，厚度為2 mm。對兩種散熱器分別進行仿真實驗，劃分網格數量分別為49 515和205 321，模型切面溫度分布圖見圖5和圖6。

圖5 針翅式散熱器切面溫度分布圖Fig.5 Temperature distribution diagram of the cross section of the pin-fin radiator

圖6 板翅式散熱器切面溫度分布圖Fig.6 Temperature distribution diagram of thecross section of the plate-fin radiator

從圖5和圖6可以看出，LED陣列的溫度最高點位于出風口處，且越靠近風機溫度越低；板翅式的切面最高溫度為91.989 7 ℃，針翅式的切面最高溫度為86.332 9 ℃，二者均低于芯片最高結溫110 ℃，但是顯然針翅式散熱器的散熱性能更好。

對兩者氣流軌跡進行對比，模型見圖7。

圖7 氣流軌跡圖Fig.7 Airflow trajectory

可以看出，兩種翅式均沒有渦流的出現，且針翅式散熱器的氣流填充更充分，空氣與翅片的接觸面更大。

2.4 針翅式散熱器優化實驗

由2.3可知針翅式散熱器的散熱性能更優，為了優化針翅式散熱器，進行參數化實驗。將縱向翅片的厚度設定為2、3，數量設定為20、18、16，其他參數保持不變，進行六組仿真，實驗數據見表2。

表2 參數化實驗仿真數據Tab.2 Parametric experimental simulation data

由表2可知，6組實驗的最高溫度均低于110 ℃，符合熱設計原則。翅片厚度一定時，最高溫度隨翅片數量的增加而降低，說明隨著翅片數量的增加，對流空氣與翅片的接觸面積增大，散熱器的散熱能力隨之增加。翅片數量一定時，翅片厚度為2 mm時比3 mm時的最高溫度低，說明雖然增加厚度會使對流空氣與翅片的接觸面積增大，但是翅片間距也會變小，空氣對流速度變慢。隨著翅片數量的增加，散熱器質量也會增加，在第2組實驗中，最高溫度為89.525 6 ℃，依然比板翅式散熱器實驗所得的91.989 7 ℃要低。雖然第1組的最高溫度比第2組的低，但是第1組的散熱器質量比第2組的大，選擇第2組翅片排列方式可以在節省成本的同時減輕UV-LED固化機的總重量。

3 結 語

通過有限元仿真實驗研究了散熱器類型對散熱性能的影響，發現針翅式散熱器的散熱性能更好。在LED芯片陣列熱功率為60 W的情況下，當風機最大流量為6.027 5 CFM、防塵網的開孔率為0.8、翅片厚度為2 mm時，采用數量排布為6×21針翅式散熱器的LED陣列最高溫度為86.332 9 ℃，滿足正常使用要求。

通過對針翅式散熱器的翅片厚度和縱向排布數量進行最優設計，發現在翅片厚度為2 mm、翅片排布為6×18時，LED陣列的最高溫度為89.525 6 ℃，依然比采用板翅式散熱器時的LED陣列最高溫度低，且比翅片排布為6×20時的散熱器質量小。

綜上所述，采用該結構設計的UV-LED固化機滿足固化使用要求，且對針翅式散熱器的翅片數量和厚度有了更進一步的確定，對大功率UV-LED風冷散熱器的設計具有一定的參考價值。