基于平板熱管的大功率LED散熱系統(tǒng)模擬及優(yōu)化

葉祥平，劉 煜，黃青松

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基于平板熱管的大功率LED散熱系統(tǒng)模擬及優(yōu)化

葉祥平1，劉 煜1，黃青松2

（1. 廣東省惠州市質量計量監(jiān)督檢測所，廣東 惠州 516003；2. 廈門大學 航空航天學院，福建 廈門 361005）

為解決大功率LED的散熱問題，設計了平板熱管散熱器來實現(xiàn)LED芯片的高效散熱。通過Flotherm模擬軟件，對大功率LED在自然對流條件下的散熱情況進行了三維數(shù)值模擬。通過平板熱管與常規(guī)銅、鋁散熱基板對比，發(fā)現(xiàn)平板熱管有效降低了大功率功率LED的結溫和熱阻，使得LED溫度分布更為均勻。此外，還研究了平板熱管LED散熱系統(tǒng)在不同芯片功率下的熱性能，并對四種不同排布方式的LED 平板熱管散熱系統(tǒng)進行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)陣列分布其溫度分布最為均勻，結溫最低，是較優(yōu)的排布方式。

大功率LED；散熱；平板熱管；模擬；優(yōu)化；結溫

LED具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、顯色性好、響應速度快等優(yōu)點，已廣泛應用在各種指示、顯示、裝飾、背光源和照明等領域。然而，目前的LED由于光電轉換效率偏低，導致大量的能量轉化為熱能，從而帶來嚴重的散熱難題[1]，由溫升導致的發(fā)光效率降低、可靠性下降、芯片壽命縮減等問題，已成為制約LED 發(fā)展的關鍵瓶頸之一[2]。由于LED芯片產(chǎn)生的熱量絕大部分通過熱沉、散熱翅片，然后以熱對流的方式耗散在空氣中，因此，熱沉的導熱性能對降低芯片結溫、實現(xiàn)有效散熱起到關鍵的作用。

傳統(tǒng)大功率LED散熱基板主要為金屬基板[3]，如鋁、銅等，其具有良好的機械強度和韌性、較低的成本。然而，隨著大功率LED的集成度提高，由此帶來的高熱流密度已經(jīng)超出了傳統(tǒng)金屬基板的散熱極限[4]，亟需采用高效散熱器件來實現(xiàn)大功率LED的散熱。國內外學者在LED高效散熱技術方面進行了一些嘗試。陳偉等[5]提出用封閉微噴射流系統(tǒng)來進行LED散熱，通過液體的噴射帶走芯片基板的熱量，取得了顯著的快速冷卻效果。田大壘等[6]用熱電制冷器件來實現(xiàn)大功率LED的冷卻降溫, 實驗發(fā)現(xiàn)其顯著地降低了LED的結溫。Ye 等[7]采用圓熱管對LED基板進行散熱，利用液體在密閉圓形腔體內的蒸發(fā)、冷凝相變，實現(xiàn)熱量的快速傳遞，通過數(shù)值模擬分析了該熱管散熱系統(tǒng)的優(yōu)異效果。然而，上述微噴射流系統(tǒng)、熱電制冷系統(tǒng)均需要復雜的系統(tǒng)設計，如外接驅動泵等，顯著增加了系統(tǒng)的成本；而圓熱管由于其與LED基板的接觸面積有限，在多個熱源的情況則顯得無能為力。

平板熱管通過平板內壁吸液芯內的工質蒸發(fā)、冷凝相變實現(xiàn)熱量的快速散失，從而實現(xiàn)大功率LED的快速冷卻降溫，是解決大功率LED散熱難題的理想選擇。目前，已有研究者[8-9]采用平板熱管作為大功率LED散熱器，并通過實驗對其散熱性能進行了初步研究，對平板熱管在大功率LED的應用進行了初步探索。然而，通過實驗測試大功率LED的結溫，面臨難以實現(xiàn)、測試不準確等固有缺陷，采用數(shù)值模擬方法可以較好地克服這一困難。此外，通過文獻檢索發(fā)現(xiàn)，通過數(shù)值模擬方法對大功率LED平板熱管散熱性能及優(yōu)化的研究十分缺乏。因此，本研究通過平板熱管與傳統(tǒng)鋁、銅金屬基板的對比，采用數(shù)值模擬分析了該散熱系統(tǒng)的效果，并對不同排布方式的大功率LED平板熱管散熱系統(tǒng)進行了分析和優(yōu)化，為基于平板熱管的大功率LED的優(yōu)化設計提供參考。

1 平板熱管工作原理

平板熱管的工作原理如圖1所示。其由上下兩塊金屬平板密封焊接拼合而成，液體工質在蒸發(fā)面受熱后蒸發(fā)、吸收大量熱量，在冷凝面冷凝、釋放出大量熱量，從而實現(xiàn)熱量從蒸發(fā)面局部區(qū)域向整個冷凝面的高效傳遞。冷凝液體工質則沿壁面回流至蒸發(fā)面，實現(xiàn)相變傳熱過程的循環(huán)往復進行。由于其平板型結構可以與芯片直接貼合，大大減少了熱源與散熱器之間的接觸熱阻，可將局部的高熱流密度以及多個熱源的熱量近乎等溫傳遞到一個大的平面上，從而有效解決了芯片表面的局部熱點、多熱源等難題，特別適合于多芯片封裝的LED器件。此外，平板熱管還具有結構簡單、體積小巧、易于與微型器件一體化封裝等顯著優(yōu)點，從而為狹小空間內高熱流密度光電子器件的散熱難題提供了一種極佳的解決方案。

圖1 平板熱管工作原理示意圖

2 大功率LED封裝模型

典型的大功率LED封裝結構模型，其主要由玻璃透鏡、LED芯片、PCB板、導熱硅脂、散熱基板、散熱翅片等組成，LED芯片的發(fā)熱量主要通過底部PCB板、散熱基板、散熱翅片向外界自然對流散失。通過熱輻射散失的熱量所占比例僅為1.6%，可忽略不計[10]。在熱仿真分析軟件Flotherm中，根據(jù)上述典型的大功率LED封裝結構建立起簡化的三維模型，見圖2，模擬自然對流條件下LED封裝結構的熱性能。相關各封裝結構的參數(shù)如表1所示。

圖2 大功率LED封裝模型（玻璃透鏡位于芯片上方，未畫出）

表1 大功率LED模型各部分參數(shù)

Tab.1 Geometric parameters of the model of high-power LED

對計算模型做如下假設：（1）忽略熱量通過熒光粉和透鏡往上的散失；（2）不考慮封裝過程各層之間的接觸熱阻；（3）LED芯片陣列是正方體均勻熱源；（4）周圍環(huán)境溫度設為25 ℃；（5）器件在空氣接觸面上的對流模式為空氣自然對流，空氣自然對流系數(shù)為5 W/(m2·K)，壓強為一個標準大氣壓（1.01×105Pa）。Flotherm模擬時，將上述模型看成三維、穩(wěn)態(tài)、常物性、有內熱源的導熱和對流熱耦合問題進行求解[11]。

3 散熱分析與優(yōu)化

3.1 三種散熱基板對比

為對比三種不同散熱基板的大功率LED散熱情況，分別設置單個LED的發(fā)熱功率為1 W和3 W，即總功率分別為25 W和75 W，按照圖2所示模型均勻陣列排布。得到的LED最高結溫及熱阻如表2所示，其中熱阻計算如下。

=(j－a)/（1）

式中：j為LED最高結溫；a為環(huán)境溫度；為LED芯片功耗。

由表2可以看出，鋁制基板其芯片結溫最高，其次為銅制基板，熱管散熱基板的結溫最低，這一趨勢與散熱基板的導熱性能相吻合，利用平板熱管極佳的導熱性能，可在自然對流的情況下降低結溫達0.3~0.8℃。此外，熱阻方面，采用平板熱管的大功率LED總熱阻明顯低于銅、鋁金屬基板，利用相變傳熱原理的平板熱管的散熱效果優(yōu)于常規(guī)銅、鋁基板。

表2 不同散熱基板的大功率LED熱性能

Tab.2 Thermal performance of high-power LED with different base plates

三種散熱基板的大功率LED溫度分布如圖3所示，可以看到，銅、鋁散熱基板的LED陣列溫度分布呈現(xiàn)明顯的不均勻，中心區(qū)域溫度高于邊緣；而平板熱管由于其優(yōu)異的均溫效果，可實現(xiàn)良好的溫度展平與熱拓展作用，顯著提高了LED溫度分布的均勻性，有效避免了局部“熱點”，從而避免大功率LED因局部高熱流密度導致的熱失效。由上面可以看到，平板熱管良好的散熱性能，能夠很好滿足大功率LED的散熱需求，有望取代傳統(tǒng)銅、鋁等金屬散熱基板。

圖3 25W LED散熱器不同材料基板溫度分布圖

3.2 平板熱管散熱器不同功率熱性能

為探究平板熱管散熱器在不同芯片功率下的熱性能，采用圖2所示的均勻陣列排布的大功率LED模型，分別設置單個芯片的功率為1，1.5，2，2.5，3 W，分別得到大功率LED陣列的總瓦數(shù)為25，37.5，50，67.5，75 W。通過模擬分析，得到LED平板熱管散熱系統(tǒng)的最高結溫及熱阻如圖4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著LED功率的增大，大功率LED系統(tǒng)的結溫呈持續(xù)增加趨勢, 而熱阻呈現(xiàn)出單調遞減的趨勢，在高功率情況下熱阻顯著降低，即平板熱管散熱系統(tǒng)在高功率情況下表現(xiàn)出更佳的散熱性能。此時大功率LED系統(tǒng)的溫度升高，與空氣的自然對流換熱增強，從而降低了系統(tǒng)的總熱阻。圖5列舉了LED平板熱管散熱系統(tǒng)在芯片總功率分別為25 W和75 W的溫度分布情況，隨功率的增大，LED芯片呈現(xiàn)出類似的分布情況，但溫度顯著升高，對其散熱設計提出了更高的要求。

圖4 不同LED功率下平板熱管散熱性能

圖5 不同功率下LED平板熱管散熱系統(tǒng)溫度分布

3.3 LED平板熱管散熱系統(tǒng)優(yōu)化

采用平板熱管散熱系統(tǒng)，固定LED芯片總功率為25 W，探究不同的LED芯片熱源排布方式對大功率LED散熱性能的影響，在Flotherm軟件中建立起熱源陣列分布、斜式分布、放射式分布、集中分布四個模型（圖6）。通過對比其溫度分布及結溫情況，對LED的排布方式進行優(yōu)化。得到的四種排布方式下的芯片溫度分布如圖7所示。可以看出，陣列分布的LED芯片溫度分布最為均勻，其次為斜式分布，其相鄰LED芯片的幾乎不產(chǎn)生相互的熱影響；而放射分布的LED芯片存在嚴重的溫度分布不均勻，其在中心區(qū)域溫度最高，邊緣則溫度較低。集中分布的LED熱源集中在中間區(qū)域，其擴散到大面積的散熱基板十分困難。四種排布方式的LED最高節(jié)溫如圖8所示，其高低順序依次為：集中分布>放射分布>斜式分布>陣列分布。由此可以看出，在芯片總瓦數(shù)相同的情況下，陣列式分布使芯片產(chǎn)生的節(jié)溫最小、溫度分布較均勻，從而減小了大功率LED系統(tǒng)因為熱應力分布均勻、結點溫升導致的熱失效，使LED照明設備的使用壽命增長，是較優(yōu)的排布方式。

圖6 不同LED芯片熱源排布模型

圖7 不同LED芯片熱源排布溫度分布情況

圖8 不同LED排布最高結溫比較

4 結論

通過數(shù)值模擬分析，針對大功率LED 模組的結構特點，建立了包含玻璃透鏡、LED芯片、PCB板、導熱硅脂、散熱基板、散熱翅片的三維模型，模擬大功率LED系統(tǒng)在自然對流條件下的散熱情況。通過平板熱管與常規(guī)銅、鋁散熱基板對比，證實了平板熱管應用于大功率LED散熱的優(yōu)異效果，其在自然對流、芯片總功率為25~75 W的情況下可降低結溫達0.3~0.8℃，使得LED溫度分布更為均勻，能夠很好滿足大功率LED的散熱需求。LED平板熱管散熱系統(tǒng)隨著芯片功率升高，結溫升高，而總體熱阻降低。此外，針對四種不同排布方式的LED平板熱管散熱系統(tǒng)進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)陣列分布其溫度分布最為均勻，結溫最低，是較優(yōu)的排布方式，在實際大功率LED封裝應用時可選擇均勻陣列排布進行熱設計。

[1] LUO X, HU R, LIU S, et al. Heat and fluid flow in high-power LED packaging and applications [J]. Prog Energy Combust Sci, 2016, 56: 1-32.

[2] 韓娜, 崔國民, 劉國輝, 等. 基于有限元法LED散熱強化研究[J]. 電子元件與材料, 2016, 35(12): 44-47.

[3] 閆泉喜, 張淑芳, 龍興明, 等. 大功率LED散熱用微通道鋁基板的有限元仿真[J]. 半導體光電, 2015, 36(3): 417-421.

[4] LU X Y, HUA T C, WANG Y P. Thermal analysis of high power LED package with heat pipe heat sink [J]. Microelectron J, 2011, 42: 1257-1262.

[5] 陳偉, 羅小兵, 程婷, 等. 大功率LED用微噴射流冷卻系統(tǒng)的實驗研究[J]. 半導體光電, 2007, 28(4): 478-481, 486.

[6] 田大壘, 關榮鋒, 王杏, 等. 基于熱電制冷的大功率LED散熱性能分析[J]. 電子與封裝, 2009, 9(1): 35-37.

[7] YE H, LI B, TANG H, et al. Design of vertical fin arrays with heat pipes used for high-power light-emitting diodes [J]. Microelectron Reliab, 2014, 54: 2448-2455.

[8] 王宏燕, 鄧月超, 郝麗敏, 等. 平板微熱管陣列在LED散熱裝置中的應用[J]. 半導體技術, 2012, 37(3): 240-244.

[9] 汪雙鳳, 胡艷鑫, 陳金建. 應用于LED燈具散熱的平板熱管傳熱特性[J]. 工程熱物理學報, 2012, 33(8): 1371-1374.

[10] 王長宏, 謝澤濤, 鄒大樞. 大功率LED散熱器的數(shù)值模擬與優(yōu)化[J]. 電子元件與材料, 2015, 34(6): 44-47.

[11] TSAO J Y. Light emitting diodes (LEDs) for general illumination: an OIDA technology roadmap update 2002 [R]. Washington, USA: Optoelectronics Industry Development Association, 2002.

（編輯：陳渝生）

Simulation and optimization of high-power LED with flat heat pipe heat spreader

YE Xiangping1, LIU Yu1, HUANG Qingsong2

(1. Guangdong Huizhou Quality & Measuring Supervision Testing Institute, Huizhou 516003, Guangdong Province, China; 2. School of Aerospace Engineering, Xiamen University, Xiamen 361005, Fujian Province, China)

Flat heat pipe heat spreader was designed for the heat dissipation of high-power LED. The thermal performance of high-power LED in natural convection conditions was simulated by the Flotherm simulation software. It is found that the flat heat pipe reduces the junction temperature and thermal resistance compared to the conventional copper and alumina heat spreader. The thermal performance of LED with flat heat pipe heat spreader under different heat power conditions was also explored. Furthermore, four types of arrangement of the LED chips were also designed and compared for the optimization. The results indicate that the uniform array configuration induces the best uniform temperature distribution and the lowest junction temperature, and seems to be the optimum choice for high-power LED.

high-power LED; heat dissipation; flat heat pipe; simulation; optimization; junction temperature

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.10.007

TN312.8

A

1001-2028（2017）10-0041-05

2017-07-20

黃青松

廣東省惠州市產(chǎn)學研結合項目（No. 2014B050013002）

葉祥平（1963－），男，廣東惠州人，高級電子工程師，主要從事光電產(chǎn)品檢測方法與研究，E-mail: 26725232@qq.com ；黃青松（1989－），男，河南商丘人，研究生，主要從事LED高效散熱器件制造及應用，E-mail: xmdxhqsjy@163.com。

2017-09-27 10:57

網(wǎng)絡出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170927.1057.007.html