基于有限元法LED散熱強化研究

韓 娜，崔國民，劉國輝，馬尚策，周劍衛(wèi)

（1. 上海理工大學 新能源科學與工程研究所，上海 200093；2. 哈爾濱哈鍋鍋爐工程技術(shù)有限公司，哈爾濱 150060）

基于有限元法LED散熱強化研究

韓 娜1，崔國民1，劉國輝1，馬尚策1，周劍衛(wèi)2

（1. 上海理工大學 新能源科學與工程研究所，上海 200093；2. 哈爾濱哈鍋鍋爐工程技術(shù)有限公司，哈爾濱 150060）

為了解決大功率LED散熱問題，構(gòu)建了包括LED固體部件及外部流體空間的三維數(shù)學模型?；谟邢拊?，應(yīng)用k-ε模型模擬自然對流換熱條件下LED模組散熱情況。模擬結(jié)果表明，LED模組溫度場分布不均，芯片結(jié)溫較高；受芯片功率密度及位置布設(shè)的影響，中心翅片的散熱效果差。通過改變散熱器結(jié)構(gòu)，設(shè)計了兩種翅片組合形式，雖然換熱面積有所減少，但由于中心翅片的對流換熱得到強化，達到了降低結(jié)溫的效果，提高了散熱性能。

大功率LED；數(shù)值模擬；熱分析；翅片組合；散熱性能；溫度分布

作為第四代光源，LED具有節(jié)能低碳、壽命長、顯色性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點[1]，是一種新型的綠色照明光源，LED燈具被應(yīng)用于越來越多的領(lǐng)域中。由于光電轉(zhuǎn)換效率偏低，LED在發(fā)光過程中有大量的熱產(chǎn)生，產(chǎn)生的廢熱如果不能被及時帶走，將會導致芯片結(jié)溫過高，引起芯片壽命驟減，發(fā)光效率降低，嚴重時甚至失效。為了解決 LED的散熱問題，可以從不同的角度展開研究，最普遍也是最節(jié)約成本的方式是將散熱性能優(yōu)良的散熱器與封裝芯片相結(jié)合[2]。散熱器設(shè)計是解決功率型LED散熱的關(guān)鍵[3]，不少國內(nèi)外學者通過改變散熱器結(jié)構(gòu)達到強化LED散熱的效果。朱鵬等[4]在矩形平直肋片的基礎(chǔ)上提出具有煙囪效應(yīng)的散熱器結(jié)構(gòu)，研究其自身結(jié)構(gòu)尺寸對散熱的影響。李灝等[5]針對太陽花散熱器通過正交試驗從散熱器圓柱半徑、熱沉高度、翅片厚度、翅片數(shù)量、翅片長度等方面進行優(yōu)化設(shè)計，得到了散熱效率最優(yōu)化結(jié)果。Li等[6]對針狀翅片散熱器的長度參數(shù)進行優(yōu)化，散熱器質(zhì)量降低30%。王長宏等[7]設(shè)計了一種方形散熱器，采用單一變量法分析其結(jié)構(gòu)參數(shù)對散熱性能的影響規(guī)律，并進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過對近年來針對LED散熱器優(yōu)化設(shè)計獲得的研究成果進行整理歸納，從平行翅片散熱器著手進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達到改善LED模組散熱的目的。

大功率LED散熱設(shè)計主要是對其穩(wěn)態(tài)下的溫度場與流場進行分析，一般可以通過理論計算、實驗研究以及軟件模擬得到。其中，理論計算難度大，涉及眾多數(shù)理方程，不便于求解；實驗研究需要針對不同設(shè)計模型生產(chǎn)樣品，成本高且周期較長；計算機軟件模擬具有經(jīng)濟、高效、便捷等一系列優(yōu)點，可以形象地再現(xiàn)物理過程，是進行LED散熱初期設(shè)計和分析的最佳方式[8]。

本文以大功率LED散熱為研究對象，通過熱仿真分析軟件采用有限元法對大功率LED模組在自然對流條件下大空間的散熱過程進行耦合數(shù)值傳熱模擬，根據(jù)計算結(jié)果，改進散熱器翅片組合形式，分析改進后內(nèi)部翅片的流場變化，得到不同結(jié)構(gòu)形式的翅片組合對散熱性能的影響，為LED散熱強化及散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 數(shù)理建模

對大功率LED的散熱系統(tǒng)進行三維建模。大功率LED模組，主要部件有LED芯片、固晶層、熱沉、基板（MCPCB）、散熱器及驅(qū)動電源，由于主要采用LED芯片、固晶層與熱沉已封裝完好的LED芯片模塊，故LED模組主要由LED芯片模塊、基板、散熱器及驅(qū)動電源四部分組成。芯片模塊與基板之間涂有導熱硅脂，芯片、基板與散熱器之間通過螺母固定。LED芯片發(fā)光過程中產(chǎn)生熱量，通過熱傳導、對流及輻射三種換熱方式進行熱量傳遞。根據(jù)文獻[9]得知LED通過熱輻射傳遞的熱量僅占1.6%，可忽略不計，因此在熱分析中只考慮熱傳導和熱對流。

以功率為20 W的平行翅片散熱器LED模組為優(yōu)化對象，模擬其自然對流條件穩(wěn)態(tài)下的溫度分布。在繪圖軟件Solid Works中構(gòu)建LED模組模型，忽略影響散熱的次要因素，對LED模組進行簡化。由于電源為外置驅(qū)動電源，電源發(fā)熱量不計入模擬計算時散熱器的功率中，因此在模型構(gòu)建中忽略驅(qū)動電源以及用于固定的螺母對散熱的影響。

將模型導入熱分析軟件Icepak中進行模擬計算，計算域由LED模組和周圍空氣域組成，為了保證計算準確性，空氣流動計算域應(yīng)足夠大，大空間的邊界條件設(shè)為壓力入口[10]。同時在減少計算占用資源又保證計算精度的前提下，網(wǎng)格劃分采用了局部加密的方式，對芯片模塊、基板、散熱翅片以及周圍溫度梯度較大的部分進行網(wǎng)格加密。采用穩(wěn)態(tài)求解的方式，可以得到LED模組在穩(wěn)定工作情況下的最終溫度[11]。

設(shè)定光電轉(zhuǎn)換效率為 20%，即可根據(jù)芯片的尺寸及輸入功率按照 80%的熱生成率[11]，按照第二類邊界條件加載均勻的熱流密度，模型中各部分的參數(shù)如表1和表2所示。模擬區(qū)域為開放空間，外部開放空間處理為非封閉的自由流體邊界，設(shè)定一個標準大氣壓1.01×105Pa。環(huán)境溫度為20 ℃，重力加速度g= –9.8 m/s2。

對計算模型作如下假設(shè)：

a）流動是定常的；

b）空氣物性參數(shù)為常數(shù)；

c）壁面為光滑表面，流體在壁面上無滑移；

d）能量方程式中忽略粘滯損失。

表1 LED模組參數(shù)Tab.1 Parameters of LED module

表2 散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Structural parameters of the radiator

模擬自然對流條件下平行翅片LED模組的散熱情況，數(shù)值模擬時近似把問題看成三維、穩(wěn)態(tài)、常物性、有內(nèi)熱源的導熱和對流熱耦合問題[13]，涉及到熱傳導及自然對流換熱，相關(guān)控制方程如下：

連續(xù)性方程：

動量方程在x、y、z方向上的分量：

能量方程：

固體導熱微分方程：

式中：u為x軸速度分量；v為y軸速度分量；w為z軸速度分量，m/s；g為重力加速度，m/s2；p為環(huán)境壓強，Pa；ρ為受溫度影響后空氣的密度；ρa為室內(nèi)環(huán)境空氣密度，kg/m3；m為空氣熱擴散系數(shù)，m2/s；k為導熱率，W/(m·℃)；T為空間溫度，℃；Cp為定壓比熱容，J/(kg·℃)?？紤]到換熱表面升溫對空氣運動和換熱的影響，將所有氣固交界面處理為耦合壁面，溫度在固體和氣體交界面上是連續(xù)的，即

2 散熱分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 初始模型模擬結(jié)果

在上述模型和設(shè)置條件下對LED模組散熱進行模擬，圖1是得到的穩(wěn)態(tài)下LED模組的溫度分布情況。觀察溫度云圖可以看出，整個模型溫度分布不均勻，LED模組中心溫度最高為72.93 ℃，散熱器最外側(cè)翅片頂端溫度最低為63.13 ℃?？偟臏囟确植记闆r是離中心越遠溫度越低；從上至下溫度逐漸降低。整個散熱過程是內(nèi)部熱傳導及平行翅片散熱器與空氣對流換熱的耦合過程。

分析LED模組散熱過程，在無強制通風條件下，芯片產(chǎn)生的熱量首先以熱傳導的方式傳遞到固體部件（包括基板和散熱器），同時周圍空氣與翅片進行對流換熱。LED芯片功率密度較大，散熱器中心翅片與邊緣翅片的溫度分布不同，中心翅片的溫度梯度較小，邊緣翅片的溫度梯度較大，四角溫度均低于其他部位的溫度。這是因為熱量由芯片產(chǎn)生傳至環(huán)境的過程主要是以放射狀的形式在散熱器內(nèi)部傳遞開來，分布在芯片正下方的散熱翅片與位于散熱器邊緣的翅片不斷地將LED芯片產(chǎn)生的熱量帶走，盡管經(jīng)過散熱器底板的均化，但由于受芯片位置的影響，離中心越遠溫度越低。加之單個翅片的長度較長，空氣流經(jīng)散熱器時，對流換熱過程僅僅局限于最外側(cè)翅片和部分內(nèi)部翅片頂端，相當一部分翅片的對流換熱受到影響，導致其整體溫度仍相對較高。相對而言，邊緣翅片的散熱環(huán)境好，對流換熱面積大，有利于熱量散發(fā)至環(huán)境中，故溫度較低。為了提高翅片的散熱性能，應(yīng)加大中心翅片的散熱比重。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析

為了進一步降低芯片結(jié)溫，提高LED模組散熱效果，根據(jù)初始模型平行直板式翅片的模擬結(jié)果，改善內(nèi)部翅片的散熱環(huán)境，加大中心翅片的散熱比重。改變散熱器翅片的結(jié)構(gòu)，保留中心 5個散熱翅片的尺寸不變，從散熱器兩端最外側(cè)翅片開始減小翅片長度，最外側(cè)翅片長度為 32 mm，變化尺寸間隔為1 mm。將平行直板式翅片組合的散熱器設(shè)計為對稱式階梯型翅片組合的平板式散熱器，保證其他設(shè)置參數(shù)不變，模擬其在施加相同熱載荷下的自然對流換熱情況，溫度分布如圖2。

圖1 平行直板式翅片LED模組溫度分布Fig.1 Straight parallel plate fin LED module temperature distribution

圖2 對稱式階梯型翅片LED模組溫度分布Fig.2 The finned symmetric ladder LED module temperature distribution

由模擬結(jié)果可知，改進翅片組合形式后LED模組最高溫度為67.52 ℃，雖然散熱面積有所減少，但由于改善了中心翅片的散熱環(huán)境，加強了中心翅片與空氣的對流換熱，使得芯片結(jié)溫有所降低，說明翅片組合形式設(shè)計為對稱式階梯型，有利于中心翅片對流換熱的進行，可以提高LED模組的散熱性能。

為了深入研究翅片組合形式對散熱效果的影響，在對稱式階梯型翅片組合的基礎(chǔ)上將翅片組合邊緣改為流線型，保證最外側(cè)翅片高度為32 mm不變，以對稱中心的翅片頂端為圓弧最高點，構(gòu)建新模型。再次對新結(jié)構(gòu)LED模組的散熱過程進行模擬，溫度分布結(jié)果如圖3所示。

圖3 流線型對稱式翅片LED模組溫度分布Fig.3 Streamlined symmetric fin LED module temperature distribution

圖3 為流線型對稱式翅片組合LED模組的溫度分布情況，最高溫度為中心位置65.71 ℃，最低溫度為邊緣翅片頂部60.07 ℃，與對稱式階梯型翅片組合散熱器相比較，最高溫降低了1.81 ℃，與平行直板式翅片組合的散熱器相比較，最高溫降低了7.22 ℃。優(yōu)化后的LED模組，改善了中心翅片的對流換熱情況，有利于熱量的散發(fā)，將翅片組合邊緣設(shè)計為流線型更加有利于自然對流條件下，空氣在流動過程中與翅片組合對流換熱的進行，便于翅片熱量散發(fā)至環(huán)境中，使芯片溫度降低，進一步改善LED模組的散熱性能。

對比三種翅片組合形式 LED模組的速度場可知，空氣流經(jīng)散熱器時沿著外側(cè)輪廓線流動，空氣繞流過散熱器后再次匯聚向前流動，受散熱器結(jié)構(gòu)影響，三種不同翅片結(jié)構(gòu)形式的速度場分布不同，如圖4（a）、（b）、（c）所示。根據(jù)圖4（a）可知，空氣繞流模型一后，存在速度盲區(qū)且范圍較大，部分流體未與散熱翅片進行充分熱交換，就已經(jīng)流走。與空氣對流換熱有限，這是導致內(nèi)部翅片散熱效果差的原因。模型二和模型三則不同，速度盲區(qū)范圍減小，空氣與翅片接觸面積增大，便于對流換熱的進行，中心翅片頂端溫度降低，空氣帶走更多熱量，使得整體散熱效果變好。模型三的流線型設(shè)計與模型二的階梯式設(shè)計相比較而言，進一步減小了速度盲區(qū)的范圍，有利于LED模組散熱性能的提升改進后的結(jié)構(gòu)不但可以降低芯片結(jié)溫，還可以減少散熱器的材料，節(jié)省成本。

圖4 不同模型速度分布Fig.4 The velocity distribution of different models

改進之后的兩種模型散熱面積雖然減少了，但芯片結(jié)溫均有不同程度的降低。以模型二對稱式階梯型翅片LED模組為基準，將最外側(cè)翅片高度改為28 mm，依次減少1 mm，重新構(gòu)建對比模型，保證其他設(shè)置參數(shù)不變，模擬其在施加相同熱載荷下的自然對流換熱情況。

模擬結(jié)果顯示芯片結(jié)溫為78.50 ℃，不但高于模型二的芯片結(jié)溫，甚至高于初始模型平行直板式翅片LED模組的結(jié)溫。對于重新構(gòu)建的階梯式翅片組合形式對比模型而言，雖然改善了內(nèi)部翅片的散熱環(huán)境，但由于散熱面積減少程度過大，并未達到提高整體散熱性能的效果，所以，在追求增強中心翅片對流換熱的同時，也要考慮翅片面積減小帶來的影響，綜合考慮二者帶來的影響，以達到強化換熱的目的。

3 結(jié)論

基于有限元方法，針對LED模組的結(jié)構(gòu)和散熱特點構(gòu)建了包括LED芯片模塊、MCPCB、散熱器及外部流體空間的三維數(shù)學模型，模擬其在自然對流條件下的散熱情況。通過對初始模型與改進模型的數(shù)值模擬與分析，可以得到以下結(jié)論：大功率 LED模組的散熱情況受到散熱器翅片組合形式的影響，良好的散熱器結(jié)構(gòu)有利于熱量的散發(fā)，能夠降低芯片結(jié)溫，有效改善LED模組的散熱性能。

（1）受芯片功率密度及位置布設(shè)的影響，整個模型溫度分布不均勻，分布在散熱器內(nèi)部的翅片散熱環(huán)境差，導致芯片結(jié)溫高。

（2）為了改善LED模組散熱性能，改變翅片組合邊緣形式，設(shè)計了對稱式階梯型和流線型對稱式兩種翅片組合，模擬結(jié)果表明，改進后的結(jié)構(gòu)加強了中心翅片與空氣的對流換熱，提高了LED模組的散熱能力。

（3）改進后的LED模組可以增強內(nèi)部翅片的對流換熱，但卻是以減少散熱面積為代價。要綜合考慮提高中心翅片的散熱比重帶來的散熱面積的損失，只有綜合考慮二者帶來的影響，才能使芯片結(jié)溫降低，達到強化換熱的效果。

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（編輯：陳豐）

Strengthen heat dissipation for LEDs based on finite element method

HAN Na1, CUI Guomin1, LIU Guohui1, MA Shangce1, ZHOU Jianwei2

(1. Institute of New Energy Science and Technology, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China; 2. Harbin Boiler Company Limited, Harbin 150060, China)

A three-dimensional mathematical model of LED hardware and external fluid space was established to solve the problem of heat dissipation of high-power LED. Based on numerical methods of finite element method, the heat dissipation performance of LED model was simulated by k-ε model under natural convection. The result shows that the temperature field distribution of LED models is inhomogeneous and the chip presents to be at a higher temperature. In the meanwhile, influenced by the chip power density and position setting, heat dissipation effect of the center fins is poor. In this case, two forms of fin combination by structure changing of radiator were designed. Despite of the reducing of heat exchange area, heat convection of central fins is intensified, which enhances the capability of heat dissipation and reduces the junction temperature.

high-power LEDs; numerical simulation; thermal analysis; fin combination; heat dissipation performance; temperature distribution

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.12.011

TN603

A

1001-2028（2016）12-0049-05

2016-08-29

崔國民

國家自然科學基金資助項目（No. 51176125）；滬江基金研究基地專項資助（No. D14001）

崔國民（1969-），男，吉林雙遼人，教授，主要從事強化傳熱與過程系統(tǒng)優(yōu)化研究，E-mail: cgm1226@163.com ；韓娜（1991-），女，河北石家莊人，研究生，主要從事LED封裝及散熱技術(shù)方面研究，E-mail: hannasjz@163.com。

時間：2016-11-29 11:41:39

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161129.1141.011.html