多排陣列大功率LED的ICEPAK熱設(shè)計(jì)

摘 要： 隨著LED的集成度越來越高，LED的散熱問題越來越突出。為提高LED的使用壽命和可靠性，使用專門的熱分析軟件ANSYS ICEPAK對影響多排陣列大功率LED散熱的關(guān)鍵因素風(fēng)扇質(zhì)量流量、翅片厚度以及翅片行間距等進(jìn)行分析研究。結(jié)果得出基板溫度隨風(fēng)扇質(zhì)量流量的增大而降低，隨翅片厚度的增加先降低后升高，隨翅片行間距的增加先降低后升高，并分別提出有效的改進(jìn)措施。最后對初始模型進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，將風(fēng)扇質(zhì)量流量從初始的0.005 kg/s優(yōu)化為0.010 kg/s，將翅片厚度從初始的0.018 m優(yōu)化為0.012 m，將翅片行間距從初始的0.014 m優(yōu)化為0.010 m。優(yōu)化后基板的溫度為81.31 ℃，比優(yōu)化之前的107 ℃降低了25.69 ℃。

關(guān)鍵詞：多排陣列； 大功率LED； ANSYS ICEPAK； 影響因素； 熱設(shè)計(jì)

中圖分類號： TN312.8?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）02?0113?03

ICEPAK?based thermal design for multi?row array high?power LEDs

WANG Mingxia， ZHOU Junjie

（College of Chemical Engineering and Energy， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China）

Abstract： As the LED integration level becomes increasingly high， the heat dissipation problem is more prominent. To improve the working life and reliability of LED， three key factors of fan wind?speed， fin thickness and fin row?space which affect the heat dissipation of multi?row high?power LEDs are studied by means of special thermal analysis software ANSYS ICEPAK. The research results show that the substrate temperature is decreased with the increase of fan wind?speed， raised after reducing with the increase of the fin thickness， and raised after reducing with the increase of fin row?space.. The effective improvement measures are put forward respectively. The parameter optimization of the initial model was conducted. The fan wind?speed was optimized from the initial 0.005 kg/s to 0.010 kg/s， the fin thickness was optimized from the original 0.018 m to 0.012 m， and the fin row?space was optimized from the initial 0.014 m to 0.010 m. The optimized substrate temperature is 81.31 ℃， which is 25.69 ℃ lower than the original temperature 107 ℃.

Keywords： multi?row array； high?power LED； ANSYS ICEPAK； influence factor； thermal design

隨著LED 芯片的輸入功率不斷增大，其散熱問題越來越突出，影響LED 的使用壽命和可靠性。因此，對大功率LED 進(jìn)行合理的熱設(shè)計(jì)，提高其散熱能力成為亟待研究的熱點(diǎn)之一。文獻(xiàn)[1?5]分析了翅片高度、散熱片面積、熱沉平均高度、熱沉厚度和熱沉數(shù)目、密封材料、鍵合材料、散熱基板等對LED燈具的影響。并指出在LED光源與燈具散熱板接觸處，使用導(dǎo)熱系數(shù)高的材料；燈具散熱性能隨著熱沉平均高度和熱沉數(shù)目的增大而增強(qiáng)，但當(dāng)變化達(dá)一定值時(shí)，這一趨勢減緩；隨著熱沉厚度增加，散熱器散熱能力先增后減。文獻(xiàn)[6?8]使用COMSOL，Matlab，CFD熱仿真軟件，對銅基板厚度、氧化鋁層厚度、散熱片厚度、散熱器材料選擇、LED顆數(shù)及其間距、材料導(dǎo)熱率設(shè)置等影響燈具散熱的因素進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的LED工作溫度更為理想，能有效提高LED燈具的壽命。本文使用ANSYS ICEPAK軟件探討影響大功率LED散熱的關(guān)鍵因素，并根據(jù)影響因素對初始模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效降低了多排陣列大功率LED燈具的溫度。

1 多排陣列大功率LED建模及仿真

多排陣列大功率LED照明燈具的機(jī)柜包含34個(gè)LED熱源（密封在1個(gè)腔體內(nèi)），1塊基板，34個(gè)翅片，3個(gè)風(fēng)扇，和1個(gè)自由開孔。翅片和基板用鋁擠壓型材，每個(gè)風(fēng)扇質(zhì)量流量為0.005 kg/s，每個(gè)熱源功率為10 W，翅片的厚度為0.018 m，y方向翅片的行間距為0.014 m，腔體的傳熱系數(shù)為15 W/（m2·K）。根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，當(dāng)環(huán)境溫度為20 ℃時(shí)，設(shè)備的基板溫度不超過90 ℃。完整的LED照明燈具的模型如圖1所示。

圖1 LED照明燈具模型

為了簡化計(jì)算，在確保計(jì)算精度的前提下，做出以下幾點(diǎn)假設(shè)：

（1） 認(rèn)為空氣是不可壓縮流體。

（2） 空氣進(jìn)口溫度設(shè)為環(huán)境溫度。

（3） 忽略翅片和基板的接觸熱阻，認(rèn)為二者接觸部分的溫度相同。

（4） 將熱源簡化為二維熱源，使其緊貼基板；忽略熱源與基板之間的接觸熱阻，認(rèn)為二者接觸部分的溫度相同。

由于溫度升高使元件所受的熱應(yīng)力增大，當(dāng)熱應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度時(shí)材料就會失效，致使元件的性能下降。所以本文以系統(tǒng)內(nèi)最高溫度作為評價(jià)翅片式散熱器可靠性的指標(biāo)。

本文以緊貼熱源的基板最高溫度作為評價(jià)指標(biāo)。計(jì)算出雷諾數(shù)為6 919.76，選擇Realized two equation湍流模型進(jìn)行計(jì)算，得出在此工況下，基板的溫度分布云圖，如圖2～圖3所示。越遠(yuǎn)離風(fēng)扇，基板的溫度越高，呈逐漸增高的趨勢?；宓淖罡邷囟瘸霈F(xiàn)在空氣出口附近；基板的最高溫度是107 ℃，大于90 ℃，所以此時(shí)的風(fēng)量不可以冷卻這些熱源；所以需要對此模型進(jìn)行優(yōu)化。

圖2 基板的溫度云圖

圖3 y方向背板中心線溫度變化

2 關(guān)鍵因素對多排陣列大功率LED的影響

影響LED燈具散熱的因素有很多，如結(jié)構(gòu)構(gòu)件間的熱阻，散熱系數(shù)，材料，熱傳導(dǎo)系數(shù)，散熱片散熱面積，鋁基板LED的顆粒分布，散熱片形狀設(shè)計(jì)，翅片分布等。下面分別考慮風(fēng)扇質(zhì)量流量、翅片厚度、翅片行間距三個(gè)因素對基板溫度的影響。

2.1 風(fēng)扇質(zhì)量流量對LED燈具散熱的影響

只改變風(fēng)扇質(zhì)量流量大小，其他條件不變的情況下，對此LED燈具進(jìn)行數(shù)值模擬。圖4是改變風(fēng)扇質(zhì)量流量，使其從0.005 m/s逐漸增大到0.020 m/s，其他條件不變的情況下，基板隨風(fēng)扇質(zhì)量流量的變化曲線。圖4顯示，隨著質(zhì)量流量的增大，基板的溫度降低。在質(zhì)量流量增大到0.010 kg/s時(shí)，基板溫度為86.34 ℃，低于所要求的90 ℃，已經(jīng)滿足要求。因此選擇最優(yōu)的風(fēng)扇質(zhì)量流量為0.010 kg/s。

圖4 基板溫度隨風(fēng)扇質(zhì)量流量的變化曲線

2.2 翅片厚度對LED燈具散熱的影響

將所有風(fēng)扇的質(zhì)量流量設(shè)為0.010 kg/s，然后依次改變翅片厚度，從0.010 m增大到0.018 m，其他條件不變，對此LED燈具進(jìn)行數(shù)值模擬。如圖5所示，隨著翅片厚度的增加，基板溫度先降低再升高。在翅片厚度為0.012 m時(shí)，基板溫度為84.98 ℃，基本達(dá)到最低。因此，可以將模型的翅片厚度設(shè)為0.012 m。

2.3 y方向翅片行間距對LED燈具散熱的影響

將風(fēng)扇質(zhì)量流量均設(shè)定為0.010 kg/s，翅片厚度均設(shè)為0.012 m。然后依次改變翅片的行間距，使其從0.006 m增大到0.026 m，對修改后的LED模型進(jìn)行數(shù)值模擬。如圖6所示，隨著翅片行間距的增大，基板的溫度先降低后逐漸增加。在翅片行間距為0.010 m時(shí)，基板的溫度最低，為81.31 ℃。所以建議在布置翅片時(shí)，合理選擇翅片的行間距。在此選擇最優(yōu)的翅片行間距為0.010 m。

圖5 基板溫度隨翅片厚度的變化曲線

圖6 基板溫度隨翅片行間距的變化曲線

3 多排陣列大功率LED的優(yōu)化設(shè)計(jì)

綜合考慮風(fēng)扇質(zhì)量流量、翅片厚度以及翅片行間距三個(gè)因素對基板溫度的影響及分析，將風(fēng)扇質(zhì)量流量從初始的0.005 kg/s優(yōu)化為0.010 kg/s，翅片厚度從初始的0.018 m優(yōu)化為0.012 m，y方向翅片行間距從初始的0.014 m優(yōu)化為0.010 m，其他條件不變。在此工況下，對優(yōu)化后的LED進(jìn)行數(shù)值模擬，得到基板的溫度云圖，如圖7所示。優(yōu)化后基板的最高溫度為81.31 ℃，而優(yōu)化之前基板的溫度是107 ℃，二者相比，優(yōu)化后比優(yōu)化前的基板溫度降低了25.69 ℃。由此說明，更改模型的某些參數(shù)可以有效降低LED模型的基板溫度。因此在設(shè)計(jì)模型時(shí)，應(yīng)盡量選擇最優(yōu)的尺寸。

4 結(jié) 語

對多排陣列大功率LED數(shù)值模擬，研究風(fēng)扇風(fēng)量、翅片厚度、翅片行間距三個(gè)關(guān)鍵因素對基板溫度的影響；結(jié)果得出基板的最高溫度隨風(fēng)扇風(fēng)量的增加而降低，隨翅片厚度的增加而先降低后升高，隨翅片行間距的增加也是先降低后升高。

圖7 優(yōu)化后基板的溫度云圖

LED燈具的初始風(fēng)扇質(zhì)量流量、翅片厚度、翅片行間距分別為0.005 kg/s，0.018 m，0.014 m。對其進(jìn)行優(yōu)化，得出其可靠性工作的最優(yōu)參數(shù)：風(fēng)扇風(fēng)量都是0.010 kg/s，翅片厚度是0.012 m，翅片行間距是0.010 m。

優(yōu)化后基板的溫度比優(yōu)化前降低了25.69 ℃。優(yōu)化后基板的最高溫度是81.31 ℃，小于90 ℃，所以優(yōu)化后的工況可以冷卻這些熱源。

注：本文通訊作者為周俊杰。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊輝，楊維明，陳建新，等.LED路燈的散熱設(shè)計(jì)及可靠性研究[J].照明工程學(xué)報(bào)，2013，24（2）：49?52.

[2] 馮巧波，朱瑞，唐國安，等.熱沉對LED燈具散熱性能的影響[J].照明工程學(xué)報(bào)，2014，25（3）：80?83.

[3] 聶宇宏，梁融，姚壽廣，等.LED翅片散熱器傳熱性能研究[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，27（6）：561?564.

[4] 劉雁潮，付桂翠，高成，等.照明用大功率LED散熱研究[J].電子器件，2008，31（6）：1716?1719.

[5] 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.

[6] 戴煒鋒，王裙，李越生.大功率LED封裝的溫度場和熱應(yīng)力分布的分析[J].半導(dǎo)體光電，2008，29（3）：324?328.

[7] 王忠鋒，黃偉玲，白金強(qiáng).大功率LED燈具散熱的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].照明工程學(xué)報(bào)，2014，25（3）：84?88.

[8] 陳杰.LED筒燈散熱仿真及光源布局優(yōu)化研究[J].照明工程學(xué)報(bào)，2013，24（3）：81?86.

[9] 韓媛媛，郭宏.數(shù)值模擬在大功率LED封裝熱分析中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].材料導(dǎo)報(bào)，2011，24（21）：108?112.

[10] 張淼，華楚霞，林澤坤.功率型LED燈散熱器優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].光電子技術(shù)，2014，34（1）：63?67.