大功率LED燈具散熱裝置的設(shè)計(jì)

楊桂婷,劉一兵

(1.邵陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，湖南 邵陽 422000；2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

前言

LED是繼白熾燈、熒光燈、高強(qiáng)度氣體放電燈之后的新一代光源，市場前景十分廣闊[1]。我國于2003年6月正式啟動(dòng)國家半導(dǎo)體照明工程，并將半導(dǎo)體照明技術(shù)開發(fā)作為國家“十五”科技攻關(guān)重大項(xiàng)目立項(xiàng)。但是，LED對溫度非常敏感，溫度上升會(huì)影響發(fā)光效率，使發(fā)射光譜外移，使輻射波長發(fā)生變化引起LED色溫、色度變化，加速熒光粉及器件的老化[2]，還會(huì)使器件及芯片內(nèi)部產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，導(dǎo)致電極與芯片的焊點(diǎn)接觸不良，芯片內(nèi)部出現(xiàn)分層[3]。解決大功率LED散熱的方法主要有兩種：一是提高器件的內(nèi)量子效率，減少熱量的產(chǎn)生；二是改進(jìn)LED封裝結(jié)構(gòu)及外界熱沉，加快內(nèi)部熱量的散發(fā)，以有效地降低芯片的溫度。

本文建立了60W LED照明燈具有限元模型，采用ANSYS熱分析軟件進(jìn)行仿真，研究了散熱翹片度、寬度及數(shù)目對芯片最高結(jié)溫的影響，對散熱翹片結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，為LED燈具散熱結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 60W LED照明燈具模型

目前功率型LED光源主要有兩種類型：一是陣列分布式功率型LED光源，將多個(gè)LED進(jìn)行陣列分布布置；另一種是集成式功率型LED光源，將多顆LED集成封裝在一起[4]。由于芯片布置方式不同，這兩種LED燈具在配光曲線、占用空間以及散熱有所不同。本文采用陣列分布式的功率型LED燈具，用20支3W LED芯片組成60W照明燈具，設(shè)計(jì)采用高熱導(dǎo)率金屬鋁作為基板材料和熱沉材料的功率型LED照明裝置, LED芯片產(chǎn)生的熱量主要通過鋁基板、鋁熱沉基片及鋁熱沉翹片的熱傳導(dǎo)及自然對流將熱量散發(fā)到空氣中。芯片分布及熱沉結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，其中3W芯片尺寸為2mm×2mm，熱沉鋁基板尺寸為300mm×200mm×5mm，各芯片模組中心相對于熱沉的位置由X=[70,110,150,190,230]，Y=[55,85,115,145]所確定的坐標(biāo)矩陣上。

圖1 60W LED照明燈具芯片分布及熱沉結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The distribution of 60W LED lighting chips and heat sink structure diagram

在LED照明燈具應(yīng)用中，輻射散熱量非常小，主要靠傳導(dǎo)和對流兩種散熱方式，熱傳導(dǎo)主要表現(xiàn)在封裝結(jié)構(gòu)和熱沉中，而熱對流主要靠熱沉完成。因此，外部熱沉的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接影響整個(gè)系統(tǒng)的散熱效果。關(guān)于LED燈具散熱的優(yōu)化設(shè)計(jì)大多采用實(shí)驗(yàn)和熱阻計(jì)算方法，研究成本較高，而采用計(jì)算機(jī)軟件仿真對其優(yōu)化，可以縮短設(shè)計(jì)周期，降低研究成本，提高工作效率。 因此，本文采用ANSYS熱分析軟件仿真研究，優(yōu)化熱沉的結(jié)構(gòu)尺寸和流場分布情況，提高散熱效果。

2 ANSYS熱分析軟件仿真優(yōu)化

2.1 優(yōu)化模型的建立

APDL是ANSYS Parametric Design Language(ANSYS參數(shù)設(shè)計(jì)語言)的縮寫，能提供參數(shù)、宏、標(biāo)量、向量及矩陣運(yùn)算，分支、循環(huán)，重復(fù)及訪問ANSYS有限元數(shù)據(jù)庫及界面定制功能，實(shí)現(xiàn)參數(shù)交互輸入、消息機(jī)制，界面驅(qū)動(dòng)和運(yùn)行程序化，可實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，提高分析效率。

采用APDL語言生成分析文件，建立熱沉的有限元模型，以散熱翹片結(jié)構(gòu)參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，以LED最高結(jié)溫(TMP)作為目標(biāo)函數(shù)，建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，采用一階方法求出TMP最小值時(shí)的設(shè)計(jì)變量值。為簡化計(jì)算和確保收斂，做如下約束：

(1)LED照明燈具底座規(guī)格為300mm×200mm；

(2)總功率為60W,由4×5×3W LED芯片組成，芯片尺寸為2mm×2mm；

(3)采用自然對流，不考慮結(jié)構(gòu)引起的空氣對流系數(shù)的影響；

(4)所有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)依據(jù)實(shí)驗(yàn)及制造工藝數(shù)據(jù)給定區(qū)域范圍,并定義為整數(shù)類型。

(5)設(shè)定改變熱沉結(jié)構(gòu)的一個(gè)變量與TMP的關(guān)系時(shí)，結(jié)構(gòu)其他的變量保持恒定值。

如圖2所示的優(yōu)化模型表示為：

s.t.

圖2 LED燈具優(yōu)化模型Fig.2 The optimized model of the LED lamps

2.2 優(yōu)化過程

圖3為采用ANSYS優(yōu)化過程中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)及材料屬性輸入二次開發(fā)界面。

圖3 優(yōu)化過程中的二次開發(fā)界面Fig.3 The secondary development interface in the process of optimization

2.2.1 翅片長度的優(yōu)化

圖4為熱沉翅片長度與最高結(jié)溫的關(guān)系曲線圖，從圖中可以看出：熱沉翅片長度與最高結(jié)溫呈近似線性關(guān)系，即翹片長度越長，芯片最高結(jié)溫越低。這是因?yàn)樵黾勇N片高度能使熱量迅速散發(fā)到空間中；但是增加翹片高度也會(huì)增大LED燈具有重量，不符合LED的應(yīng)用要求，因此，在優(yōu)化時(shí)要權(quán)衡考慮。實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)定LED芯片最高溫度不超過60℃，翹片長度優(yōu)化值為62.5mm。

圖4 翅片長度與最高結(jié)溫的關(guān)系Fig.4 The relationship between fin length and maximum junction temperature

2.2.2 翅片寬度的優(yōu)化

圖5為熱沉翅片寬度與最高結(jié)溫的關(guān)系曲線圖，從圖中可看出：熱沉翅片寬度與最高結(jié)溫呈近似拋物線關(guān)系，總的來說，翹片寬度越寬，LED最高結(jié)溫越高；這是因?yàn)閭鲗?dǎo)主要沿著翹片的縱向方向流動(dòng)，而翹片寬度增加減小了翹片間距，阻礙了翹片間帶走熱量的空氣流動(dòng)速度。同時(shí)造成熱沉重量增加，提高了制造成本。為此，在LED最高結(jié)溫不超過60℃下，取翹片寬度的優(yōu)化值為1mm。

圖5 翅片寬度與最高結(jié)溫的關(guān)系Fig.5 The relationship between fin width and the maximum junction temperature

圖6 翅片數(shù)目與最高結(jié)溫的關(guān)系Fig.6 The relationship between wing piece number and the maximum junction temperature

2.2.3 翅片數(shù)目的優(yōu)化

圖6為熱沉翅片數(shù)目與最高結(jié)溫的關(guān)系曲線圖，從圖中可看出：隨著翹片數(shù)目的增多，燈具最高溫度逐漸降低，這說明翹片數(shù)目增多有效散熱面積增大，可以有效降低燈具溫度；但是超過某一數(shù)值后隨著翹片的增加LED結(jié)溫降低得越來越緩慢，達(dá)到一定數(shù)目后，結(jié)溫反而緩慢增大，其原因是翹片數(shù)目超過最佳值后，翹片間距減小，使得邊界層的粘滯作用增強(qiáng)，對流不能充分進(jìn)行，散熱效果變差。為此，在LED最高結(jié)溫不超過60℃下，取翹片數(shù)目的優(yōu)化值為20。

2.2.4 優(yōu)化后的熱沉溫度云圖

根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，設(shè)計(jì)了芯片最高結(jié)溫不超過60℃時(shí)的熱沉取翹片長度優(yōu)化值為62.5mm，寬度優(yōu)化值為1mm，數(shù)目優(yōu)化值為20，采用ANSYS軟件仿真得出優(yōu)化設(shè)計(jì)后的熱沉溫度云圖如圖7所示。

圖7 優(yōu)化后的熱沉溫度云圖Fig.7 Cloud chart of heat sink temperature after the optimized design

3 結(jié)論

本文采用了ANSYS熱分析軟件對60W陳列分布式的LED照明燈具進(jìn)行了熱分析，對熱沉結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，得出了如下結(jié)論：

(1)熱沉翹片長度與最高結(jié)溫呈近似線性的關(guān)系，即翹片長度越長，芯片最高結(jié)溫越低。

(2)熱沉翹片寬度與最高結(jié)溫呈近似拋物線關(guān)系，總的來說，翹片寬度越寬，芯片最高結(jié)溫越高。

(3)熱沉翹片數(shù)目與最高結(jié)溫呈倒拋物線關(guān)系，即隨著數(shù)目增加，最高結(jié)溫下降，但到達(dá)一定數(shù)值時(shí)，結(jié)溫又會(huì)緩慢增大。

(4)考慮到LED芯片最高結(jié)溫不超過60℃的條件下，對熱沉結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，得出最優(yōu)的取值分別為：翹片長度優(yōu)化值為62.5mm，翹片寬度優(yōu)化值為1mm，翹片數(shù)目優(yōu)化值為20。

[1] 劉一兵，丁潔. 功率型LED 封裝技術(shù)[J]. 液晶與顯示，2008,23(4)：508-512.

[2] 劉一兵，黃新民，劉國華.基于功率型LED散熱技術(shù)的研究[J].照明工程學(xué)報(bào)，2008,19(1)：69-73.

[3] Hu J Z，Yang L Q，Hwang W J，et al.Thermal and mechanical analysis of delamination in GaN-based light-emitting diode packages[J].Journal of Crystal Growth，2006，288：157-161.

[4] 劉紅，趙芹，蔣蘭芳，等.集成式功率LED路燈散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].電子器件，2010,33(4)：481-484.