大功率白光LED燈具散熱優(yōu)化方案

白 坤 聶秋華 吳禮剛 戴世勛 林萬炯 周伯友 馬湘君 鄭兆勇

(1.寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江寧波 315211;2.寧波賽爾富電子有限公司，浙江寧波 315103)

1 引言

相比白熾燈、日光燈和緊湊型熒光燈而言，功率型白光LED具有亮度高、功耗低、體積小、便于集成、抗力學(xué)損傷、污染小等一系列優(yōu)點(diǎn)［1～3］。大功率白光LED燈與白熾燈、熒光燈相比，分別可節(jié)省80%～90%和50%的電能，且其壽命高達(dá)8～10萬小時(shí)，是白熾燈的20～30倍，熒光燈的10倍。功率型LED與太陽能電池、電磁感應(yīng)電池聯(lián)合使用堪稱極具競(jìng)爭(zhēng)力的綠色光源。隨著LED白光技術(shù)的深入發(fā)展，尤其是GaN系Ⅲ-V族化合物半導(dǎo)體的晶體生長(zhǎng)工藝技術(shù)及納米技術(shù)的進(jìn)步［4］，LED的光效和大功率集成技術(shù)得到大幅度提高。目前，單芯片LED功率已達(dá)5W甚至更高，而電光轉(zhuǎn)換效率僅15%～20%，剩余80%以上轉(zhuǎn)化為熱能，且芯片尺寸僅為1mm×1mm～2.5mm×2.5mm，導(dǎo)致芯片功率密度較大，LED結(jié)溫升高。最終造成波長(zhǎng)紅移，壽命減少，可靠性下降等問題。研究表明，LED的發(fā)光波長(zhǎng)隨溫度變化為0.2nm/℃～0.3 nm/℃，這對(duì)于藍(lán)光芯片涂覆YAG熒光粉得到的白光LED而言，波長(zhǎng)漂移會(huì)引起發(fā)光波長(zhǎng)與熒光粉激發(fā)波長(zhǎng)失配，從而降低白光LED的整體光效，并導(dǎo)致白光色溫的改變。室溫下，LED結(jié)溫每升高1℃，光通量則會(huì)相應(yīng)地減少1%左右。當(dāng)溫度超過一定值時(shí)，器件的失效率將呈指數(shù)規(guī)律上升，元件溫度每上升2.0℃，可靠性下降10%［5］。因此大功率白光LED產(chǎn)品散熱問題亟待解決。

一般來說，解決此類問題從主動(dòng)和被動(dòng)方面出發(fā):主動(dòng)散熱方面，2006年Sheng Liu、魯祥友等人通過在散熱器上安裝一個(gè)微泵浦系統(tǒng)以驅(qū)動(dòng)流體［6～7］，試驗(yàn)證明這種方法能有效地通過工質(zhì)循環(huán)帶走熱量。秦熠等介紹了半導(dǎo)體制冷技術(shù)，該技術(shù)利用半導(dǎo)體材料的帕爾帖效應(yīng)。當(dāng)直流電通過兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)成的電偶時(shí)，在電偶的兩端分別吸收熱量和放出熱量［8］。被動(dòng)散熱方面，OSRAM推出了單芯片“Gokden Dragon”系列LED，將芯片用紅外或回流焊焊接在銅合金熱擴(kuò)散層上［9］，熱擴(kuò)散層再焊接在鋁芯MCPCB上，熱沉與MCPCB直接接觸，具有良好的散熱效果。盡管主動(dòng)散熱效果顯著，但是無論從可靠性還是成本方面考慮，被動(dòng)散熱一般為大功率LED散熱首選方案，本文采用被動(dòng)散熱方式、重點(diǎn)對(duì)散熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

利用有限元軟件［10］，并結(jié)合熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流原理，模擬穩(wěn)定工作時(shí)LED燈具的溫度場(chǎng)分布。在模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量計(jì)算結(jié)果較吻合的基礎(chǔ)上，研究散熱器底座厚度、散熱器肋片高度、散熱器肋片個(gè)數(shù)、散熱器孔洞對(duì)散熱效果的影響。

2 模型的建立與熱分析

2.1 模型的建立

直接在有限元分析軟件中建立幾何模型模并劃分網(wǎng)格。由于環(huán)氧樹脂、透鏡定位圈等的導(dǎo)熱性能較差，此處做絕熱處理，建模時(shí)不予考慮。模型主要由芯片、陶瓷襯底、銅箔、錫膏、覆銅鋁基板、導(dǎo)熱硅脂、鋁散熱器構(gòu)成。

芯片尺寸1.2mm×1.2mm，單顆功率為2.5W。芯片電光轉(zhuǎn)換效率為20%，則芯片的熱流密度1.389W/mm2。一般情況下空氣自然對(duì)流系數(shù)為1～10W/(m2·K)，此處考慮室內(nèi)工作環(huán)境，取燈具內(nèi)表面加載對(duì)流系數(shù)為2.5W/(m2·K)，外表面加載對(duì)流系數(shù)為5W/(m2·K)，環(huán)境溫度均為35.0℃。主要封裝材料的物理屬性見表1。

表1 LED燈具物理系數(shù)

2.2 熱分析

圖1 溫度場(chǎng)分布

圖2 溫度隨時(shí)間的變化曲線

為了節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，提高運(yùn)算速度，根據(jù)燈具的周期對(duì)稱性特征，取其1/6結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析。其熱分析包括熱傳導(dǎo)，熱對(duì)流及熱輻射三種傳遞方法［11～13］。由于1W 單顆 LED熱輻射僅能帶走1.63‰的熱量，功率達(dá)到2W時(shí)輻射熱量也僅占6.33‰［14］，故僅考慮熱傳導(dǎo)與對(duì)流對(duì)散熱的影響。設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)后進(jìn)行有限元仿真，得到的溫度場(chǎng)分布如圖1所示。穩(wěn)態(tài)分析結(jié)果顯示，大功率白光LED芯片最高溫度為110.5℃。散熱器溫度為71.6℃～75.9℃。圖2所示為大功率LED六芯筒燈瞬態(tài)溫度變化曲線，可以看出“CERAMIC SUBSRATE”這條曲線在前54分鐘一直處于升溫階段，“HEAT SINK”這條曲線顯示48分鐘后便達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，與“MCPCB”、“THERMALPAD”、“SOLDER PASTE”曲線類似。 “THERMAL GREASE”曲線在54分鐘后處于穩(wěn)定階段。整個(gè)系統(tǒng)在大約1小時(shí)后趨于熱穩(wěn)定狀態(tài)。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)溫估算

在熱特性計(jì)算中主要用到下列基本熱學(xué)公式［15］:

RθJ－Ref為從二極管 pn節(jié)點(diǎn)到某個(gè)參照點(diǎn)熱阻(℃/W); ΔTJ－Ref為結(jié)溫 TJ與參照點(diǎn)溫度 TRef之差(℃);PD為功率耗散 (W)是LED正向電流 (If)與LED正向電壓 (Vf)之積。

將公式 (1)也可表述為:

在環(huán)境溫度Ta=35.0℃下，將燈具通電2小時(shí)以上，以達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)，通過熱電偶溫度測(cè)量，獲知引腳溫度TRef=75.0℃。已知Vf=3.4V，If=700mA。并計(jì)算出 PD=2.38W，RθJ－Ref=16℃/W。根據(jù)公式 (2)可得結(jié)果TJ≈113.1℃。這與模擬結(jié)果較吻合。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)部有熱源的三維直角坐標(biāo)系下的導(dǎo)熱問題，物體單位面積上的熱流速率可以用傅立葉導(dǎo)熱定律來表征。則可以得到如公式所示的導(dǎo)熱微分方程。

其中q表示在單位時(shí)間內(nèi)單位體積所發(fā)生的熱量，簡(jiǎn)稱為熱源發(fā)熱率，其單位為J/(m3·s)。

不管層流或者湍流條件下的傳熱，緊貼壁面處一定為層流，對(duì)于不可壓縮流體或者導(dǎo)熱系數(shù)k為實(shí)常數(shù)的層流導(dǎo)熱過程，若為二維傳熱過程，其層流邊界層熱量方程可以表示為:

涉及對(duì)流換熱的溫度場(chǎng)分布必滿足上述方程，其中ux和uy表明流動(dòng)情況會(huì)影響溫度場(chǎng)的分布。

結(jié)合穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的溫度場(chǎng)分布優(yōu)化LED燈具結(jié)構(gòu)及散熱器結(jié)構(gòu)，以便達(dá)到有效熱排放。研究襯底材料、功率對(duì)LED熱性能的影響。并根據(jù)模擬結(jié)果和熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流原理對(duì)該模型進(jìn)行散熱封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在盡量節(jié)省成本的情況下，降低LED器件的結(jié)溫和散熱器溫度。

采用導(dǎo)熱性能較好的Si和SiC襯底材料，其導(dǎo)熱率分別為150W/m·℃、490W/m·℃。采用 Si襯底的LED燈具溫度場(chǎng)分布表明LED芯片結(jié)溫為87.1℃，相比原來采用陶瓷襯底下降了23.4℃。散熱器最低溫度無明顯變化，均為71.6℃。燈具整體溫差由原來的 28.9℃下降至 15.5℃，下降了13.4℃。由圖2可以看出，Si襯底的溫度場(chǎng)分布比較均勻，整體溫差為7.2℃。

采用SiC襯底的LED燈具溫度場(chǎng)分布表明LED芯片結(jié)溫為83.6℃，相比原來采用陶瓷襯底下降了26.9℃。散熱器最低溫度無明顯變化。燈具整體溫差由原來的28.9℃下降至12.0℃，下降了16.9℃。燈具中的SiC襯底層的溫度場(chǎng)分布比較均勻，整體溫差為2.7℃。

綜上所述，本文提出一種散熱封裝優(yōu)化結(jié)構(gòu)。如圖3所示，將銅箔所對(duì)正下方打通，通過銅柱直接與散熱器連接 (銅柱為立方體，體積為2mm×3mm×1.3mm)，接觸面所形成的熱通道即能將熱量快速有效地輸出又保證了MCPCB的電氣連接。

圖3 新型封裝結(jié)構(gòu)圖

圖4所示為新型散熱封裝結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分布，可以看出結(jié)溫為103.4℃，相比初始設(shè)計(jì)方案降低了7.1℃。散熱器溫度反而上升了2.8℃，可以解釋為芯片釋放的熱量快速有效地傳遞到散熱器。陶瓷襯底的整體溫差由原來的32.1℃下降至26.6℃，熱阻相比原來下降了20%左右。MCPCB溫差由原來的13.8℃下降至3.5℃，熱阻相比原來下降了75%左右。整個(gè)燈具熱阻下降了25%左右。

圖4 溫度場(chǎng)分布

綜上所述，我們將得出一個(gè)最優(yōu)化方案。也就是在上述新型封裝結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用SiC襯底。此方式得到的溫度場(chǎng)分布顯示出大功率LED芯片結(jié)溫僅為79.0℃，散熱器最低溫度為74.4℃。優(yōu)化前后結(jié)果對(duì)比如表2所示，原始燈具標(biāo)記為1號(hào)，對(duì)原始燈具僅改用SiC襯底燈具標(biāo)記為2號(hào)，僅采用新型封裝結(jié)構(gòu)標(biāo)記為3號(hào)，采用SiC襯底和新型封裝結(jié)構(gòu)標(biāo)記為4號(hào)?？梢钥闯觯?號(hào)結(jié)溫僅為83.6℃，相比原始燈具下降了24%。并且2號(hào)燈具各個(gè)部件的溫差較小，溫度分布更加均勻。3號(hào)為新型散熱封裝結(jié)構(gòu)燈具，在沒有改變材料參數(shù)的情況下，使得結(jié)溫下降了到7.1℃。并且MCPCB溫差僅為3.5℃，相比原始值下降了75%。4號(hào)燈具為采用 SiC襯底的新型散熱封裝結(jié)構(gòu)，其結(jié)溫為79.0℃，相比原始值下降了28%左右。但是散熱器溫度反而上升了幾度，可以解釋為由于材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為合理，使得芯片產(chǎn)生的熱量能夠快速有效地傳至外部散熱器，然后與空氣進(jìn)行對(duì)流換熱。

表2 結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

本文基于熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流的有限元仿真，并根據(jù)燈具的周期對(duì)稱性，計(jì)算仿真其1/6結(jié)構(gòu)得到溫度場(chǎng)分布。仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)吻合較好。研究了三種芯片襯底材料和兩種散熱結(jié)構(gòu)對(duì)大功率LED燈具散熱效果的影響。通過分析比較四種不同散熱組合方式，最終得到一種最優(yōu)化方案，采用SiC襯底的新型散熱封裝結(jié)構(gòu)，其結(jié)溫僅為79.0℃，相比原始值下降了28%左右。

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