基于有限元的大功率LED燈具散熱分析

朱伯明,褚才良,楊潤光,楊凱（.寧波燎原燈具股份有限公司,浙江寧波35408；.中國計量學(xué)院,杭州30000)

基于有限元的大功率LED燈具散熱分析

朱伯明1,褚才良1,楊潤光2,楊凱2
（1.寧波燎原燈具股份有限公司,浙江寧波315408；2.中國計量學(xué)院,杭州310000)

摘要:本文通過對某功率型LED散熱模組建立熱阻理論模型，并利用大型有限元仿真軟件ANSYS對其進(jìn)行仿真熱分析,得出了其熱穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)的溫度場分布。結(jié)果表明:在薄插片式LED散熱器設(shè)計中，采用熱管結(jié)構(gòu)可以大幅降低散熱片近端與遠(yuǎn)端之間的熱阻，從而充分發(fā)揮翅片式散熱器散熱面積大的優(yōu)點(diǎn)，有效地降低功率型LED芯片模塊在使用時的結(jié)溫，增加系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞:大功率LED;熱管;有限元;ANSYS

1引言

作為一種電致發(fā)光器件，LED具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，諸如低功耗、污染小、壽命長等。但隨著LED功率的增大，產(chǎn)熱量增多，如果散熱問題解決不好，熱量集中在尺寸很小的芯片內(nèi)，使得芯片內(nèi)部溫度越來越高。隨著溫度上升,熒光粉量子效率降低,出光減少,輻射波長也會發(fā)生變化。熒光粉輻射特性的改變,也會引起白光LED色溫、色度的變化。較高的溫度還會加速熒光粉的老化[1-2]。??

與此同時，由于LED元件的可靠性與溫度成反比，LED芯片的故障率隨元器件溫度升高而成指數(shù)關(guān)系增長，因此應(yīng)嚴(yán)格控制LED芯片溫度，散熱技術(shù)成了大功率LED應(yīng)用研究的重點(diǎn)課題[3-5]。

2有限元理論

在直角坐標(biāo)中，從散熱片中任意取出一個立方形控制體，根據(jù)熱力學(xué)第一定律有: ??

由于散熱片是具有內(nèi)熱源的三維導(dǎo)熱問題，所以當(dāng)散熱片的體積為V，其邊界曲面為S，根據(jù)變分原理式(2)推導(dǎo)出：??

假定散熱片周圍流體的介質(zhì)溫度Tf和散熱片表面與周圍介質(zhì)之間的對流換熱系數(shù)已知，即散熱片邊界曲面滿足第三類邊界條件，也即當(dāng)S=Sa時，有

將（4）式代入（3）式，可導(dǎo)出??

把散熱片離散成E個單元和m個節(jié)點(diǎn)，對每個待求的節(jié)點(diǎn)溫度可以建立一個代數(shù)方程，也就是離散方程，由m個代數(shù)方程可組裝成系統(tǒng)方程??

式中[C]為比熱矩陣，[K]為熱傳導(dǎo)矩陣，{Q}為節(jié)點(diǎn)熱流率向量。求解(6)式，可得到各個節(jié)點(diǎn)的溫度值。

3建模及仿真

如圖1是目前市面上銷售的大功率LED典型倒裝焊接結(jié)構(gòu)，熱量由芯片結(jié)區(qū)產(chǎn)生，從兩個路徑并行傳出：一是從半導(dǎo)體PN結(jié)傳到硅膠再到塑料透鏡散發(fā)到空氣中；二是從焊接層傳到熱沉再通過金屬或陶瓷基板進(jìn)行散熱，后者熱阻較小而作為主要的散熱途徑。當(dāng)沒有熱管時，建立如圖2(a)的大功率LED燈組模型。圖2(b)為相應(yīng)的熱阻等效模型。?

圖1倒裝焊接的LED橫截面視圖

圖2未使用熱管的大功率LED散熱器

由圖2(b)可知，此時散熱器的總熱阻R為：??

圖3給出了無熱管時大功率LED燈具模組的有限元穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析結(jié)果。從圖3(a)可見散熱翅片的近端與遠(yuǎn)端的溫差近14.5℃，對于近端與遠(yuǎn)端的相同面積的葉片微元，其散熱能力比為：??? ??

因而散熱翅片的整體散熱能力受到了很大的削弱。??

與之相比較，建立同樣結(jié)構(gòu)的大功率LED燈具散熱模組，當(dāng)采用熱管散熱時其結(jié)構(gòu)模型和熱阻等效模型如圖4所示。??

此時大功率LED燈具散熱模組的熱阻為：

圖3未使用熱管的大功率LED散熱器

圖4未使用熱管的大功率LED散熱器

圖5使用熱管的大功率LED散熱器

由仿真結(jié)果可以看到遠(yuǎn)端和近端的溫度差值降低為1.12℃，大功率LED燈具散熱器翅片遠(yuǎn)端因此也具有了很好的散熱能力，使得散熱器與空氣間的整體熱阻得到了較大幅度的降低，散熱器的散熱能力也接近于1，起到了較好的散熱效果。

4結(jié)論

綜合以上仿真結(jié)果可以看出，在未使用熱管的模型中，由于大功率LED散熱器翅片的熱阻比較大，翅片的遠(yuǎn)端和近端的溫差近14.5℃，翅片的遠(yuǎn)端散熱能力只有近端的23.7%，因而大大削弱了葉片的散熱能力。在使用熱管的模型中，葉片近端與遠(yuǎn)端之間的熱阻大幅下降，從而充分發(fā)揮翅片式散熱器散熱面積大的優(yōu)點(diǎn)，有效地降低功率型LED芯片模塊在使用時的結(jié)溫。

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