LED路灯热分析及散热结构设计.pdf

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1、第9 卷，第5 期V 0 1 9 N o 5电子与封装E L E C T R O N I C S&P A C K A G r N G总第7 3 期2 0 0 9 年5 月L E D 路灯热分析及散热结构设计张琦，陈旭(天津大学化工学院，天津3 0 0 0 7 2)摘要：L E D 作为第四代照明光源已被广泛应用于显示和照明系统设备，但由于其光电转化率较低，大部分电能实际转化成了热量，所以如何提高其散热能力是大功率L E D 实现产业化亟待解决的关键技术之一。文章以某公司L E D 路灯为模型，采用A N S Y S 有限元软件对其进行参数化建模及热分析，得出了其稳态的温度场分布，在此基础上通过

2、设计正交实验，分析了铝制热沉不同结构参数对其温度场的影响情况。由最终的结果可知，在合适的范围内使散热器翅片的厚度和间距较小一些，可得到较为理想的优化结构，既能控制芯片的最高温度，又有效地减小了散热器的质量。文章L E D 路灯算例得到优化的质量为原质量的3 3 4 0。关键词：大功率L E D；热沉；热分析中图分类号：T N 3 0 5 9 4文献标识码：A文章编号：1 6 8 1 1 0 7 0(2 0 0 9)0 5-0 0 4 4 0 5T h e r m a lA n a l y s i sa n dS t r u c t u r a lD e s i g no fH e a tS i

3、 n ko fL E DS t r e e tL a m pZ H A N G Q i，C H E N X u(S c h o o lo f C h e m i c a lE n g i n e e r i n ga n dT e c h n o l o g y，T i a n j i nU n i v e r s i t y，T i a n j i n3 0 0 0 7 2，C h i n a)A b s t r a c t：L i g h t-e m i t t i n gD i o d e(L E D)，t h ef o m t hg e n e r a t i o nl i 龇h a

4、sa l r e a d yb e e nw i d e l yu s e di ni l l u m i n a t i o nd e v i c e s,b u t t h e t m n s f o n m l i o n e f l i c i e m-y o f e l e c t r i c i t y t o l i g h t i s s t i l l l o w,s o b o w t o 呻e t h e c a p a b i l i t y o f t h e h e a t s i n k b e c o m e o n eo f t h ek e yt e c h

5、 n i c a li s s u e sf o rt h ei n-o no f h i g h p o w e rL E D B a s e do nar e a ls t r g e tl a m po f L E Dc o m p a n y,ap a r a m e t e r i z e dm o d e la n dt h e r m a la n a l y s i sw i t hA N S Y Ss o f t w a r ef o rh i g h p o w e rL E DW a So b t a i n e d T h es t e a d y-s t a t et

6、 e m p e r a t u r ef i e l d so fL E Dw i t hd i f f e r e n c eo fs t r u c t u r ed i m e n s i o n so ft h eh e a ts i n kw e r ec o m p a r e du s i n go r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g n，a n da no p t i m i z e dm o d e lw h i c hc a nn o to n l yl i m i tt h eh i g h e s tt

7、e m p e r a t u r eo nL E D，b u ta l s od e c r e a s et h em a s so f t h eh e a ts i n kW a So b t a i n e db yr e d u c i n gt h et h i c k n e s sa n ds e p a r a t i o no ff i n so f t h eh e a ts i n k Ac a s ea n a l y s i so f L E Ds t r g e tl a m ps h o w st h a to p t i m i z e dw e i g h

8、 tr e d u c e st O3 3 4 0 o f o r i g i n a lw e i g h t K e yw o r d s：h i g h-p o w e rL E D；h e a ts i n k；t h e r m a la n a l y s i sl引言与普通光源比，大功率L E D 具有省电、寿命长及反应时间快等优剧，在城市景观、L C D 背光板、交通标志、汽车尾灯照明和广告招牌等方面有着广泛的应用【2 1。L E D 芯片的表面面积小，工作时电流密度大，单颗L E D 的输出光束低，所以照明设备大多4 4 收稿日期：2 0 0 8 11-1 5要求多个L E

9、D 组合而成，从而造成L E D 密集度较大。但由于LED 的光电转换效率不高，大约只有1 5-2 0 左右电能转为光输出，其余均转换成为热能，因此当大量L E D 集中工作时，将会产生大量的热量。若不能使这些热量尽快有效地耗散，随之而来的热效应将会变得非常明显，致使结温上升，减少芯片出射的光子，使色温质量下降，加快芯片老化，缩短器件寿命，且由于L E D 芯片输入功率的不万方数据第9 卷第S 期张琦，陈旭：L E D 路灯热分析及散热结构设计断提高，因散热问题牵扯到光、电、色等一系列的问题显得更加突出 3“J，因此对该结构进行热分析和优化设计就变得异常关键。在设计L E D 发光器件时，为了

10、较好地控制结温，良好的散热设计主要是出于以下考虑：一方面改善器件内部封装结构，提高发热芯片向外壳传导热量的能力；另外一方面提高外壳向外界散热的能力。本文利用A N S Y S 有限元分析软件，对某公司L E D 路灯的散热结构进行了参数化设计及热分析，并通过设计正交实验，分析了铝制热沉各结构尺寸变化对其温度场的影响情况，最终得到较为理想的优化结构，达到了在散热效果基本不变的前提下，降低散热器用料，控制成本的目的。2模型的建立与热分析本文的分析原型为某公司的S M R L 10 1 路灯(见图1)，所用到的主要参数见表1 和表2。图1 某公司S M R L-1 0 1 路灯表1L E D 封装中

11、材料热性能参数S M R L 一1 0 1 路灯主要参数总功率整体外形尺寸L E D 芯片数量L E D 芯片尺寸P C B 板厚度散热器质量1 0 0 W4 1 0 m m x 3 0 0 m m x 8 0 m m1 0 0 个l m m l m m x 0 2 3 m m2 m m4 3 k g在实际情况中热量沿以下路径传递【5 芯片一导电胶一P C B 板一导热胶-散热器。本文主要研究该L E D的散热器结构优化，故建模时假设P C B 板是各向同性的，并忽略导电胶和导热胶，且由于该灯对称，取1 2 建模，模型如图2 所示。对与空气中接触的散热器外表面均设为自然对流f 6】，对流系数为

12、1 0 W(m 2 K)一，由于灯罩的密封作用，模型其他表面均定义为绝热。每个芯片的输入功率l W，其中1 5 转化为光能，8 5 转化为热能，所以将(3 7 1 0 9)W m 寸的生热率载荷施加于芯片实体上，环境温度均假设为2 5，定义各种材料属性(见表3)。对模型网格划分后进行有限元计算，得出模型的稳态温度场，由结果(见图3)可知模型最高温度为4 3 8 4，出现在原模型中心两列从底部数第三个芯片上，由于该芯片处在中心两列，且底侧为散热器的固定结构，而无散热翅片，故温度较高。图2 原L E D 实体模型图表3L E D 中元件材料热性能参数元件热传导率w(m)。1L E D 芯片P C

13、B 板铝制散热器1 2 5 61 7 82 3 8表2 原型铝制散热器的结构尺寸3散热结构的参数化建模及优化设计散热器结构尺寸m m翅片厚度翅片间距翅片高度底板厚度41 84 563 1 参数化建模为了便于该散热结构的优化设计，本文使用A N S Y S 参数化设计语言即A P D L 编写了参数化模型。A P D L 是一种功能强大的专用描述性、解释性语言，类似干F O R T R A N，可提供一般程序语言的功能，如4 5 万方数据第9 卷第5 期电子与封装参数、宏、标量、向量及矩阵运算、分支、循环、重复以及访问A N S Y S 有限元数据库等，可以用i f-t h e n e l s

14、e 分支结构和d o 循环及用户指令生成执行一系列任务的宏，因此在同种问题多次建模的过程中具有广泛的应用。图3 原模型热分析结果图本次建模使用A P D L，首先建立所要设计的散热器结构参数(翅片厚度、翅片间距、翅片高度，底板厚度)间的结构关系，然后利用i f-t h e n e l s e 分支结构分别建立散热翅片数为奇数和偶数的模型。3 2正交试验设计法及模拟结果正交试验设计法具有完成试验要求所需的实验次数少、数据点分布均匀、可用相应的极差分析方法等对试验结果进行分析等优点【8 1。本文为了缩小模拟的运算规模，分析散热器各结构尺寸变化对其温度场的影响情况，所以设计正交试验对该参数化模型进行

15、多次热分析。把影响最终温度场分布的四个散热器结构参数作为因素，每个因素取5 个水平(见表5 至表8)，以散热器质量和芯片最高温度为试验指标，选取正交表L 2 5(5 6)，过程及结果如表4 所示。表4 正交试验模拟结果表翅勰距翅勰度平板m 厚度m短片数长片数散麓琴量与暖比重芯片繁温度2 05 56664 8 8 81 1 3 74 3 8 61 85 05764 4 5 51 0 3 64 4 3 91 64 54784 3 4 21 0 1 O4 3 7 71 44 03883 8 0 48 8 4 74 5 0 51 23 5281 03 5 0 98 1 6 04 5，3 82 05 0

16、4763 5 6 48 2 8 8，4 5 0 l1 84 53683 2 9 07 6 5 14 4 8 61 64 02782 8 0 76 5 2 84 6 2 71 43 56984 0 4 99 4 1 64 5 2 41 25 5591 05 3 7 91 2 5 13 9 2 92 04 52762 1 7 35 0 5 34 7 5 41 84 06783 6 0 08 3 7 24 4 8 71 63 55883 1 3 57 2 9 14 6 1 41 45 5481 04 0 1 09 3 2 64 0 0 71 25 031 01 03 6 2 98 4 4 04 0

17、6 62 04 05682 6 8 06 2 3 34 5 8 51 83 54782 2 6 65 2 7 04 7 2 l1 65 53982 6 1 26 0 7 44 1 9 51 45 0291 02 3 5 45 4 7 44 2 0 11 24 561 01 23 7 7 18 7 7 03 9 6 42 03 53781 4 6 53 4 0 74 8 2 31 85 52881 4 3 63 3 4 04 3 7 21 65 068l O2 8 0 56 5 2 34 0 9 81 44 551 01 02 4 5 05 6 9 84 1 4 42 511 24 041 11

18、 22 1 4 54 9 8 84 1 3 I4 6 度一牌竺，44444，。，322222i。翅一序号一。2，4，67o9m 屹BH：2 怕 墙侈加加毖幻M万方数据第9 卷第5 期张琦，陈旭：L E D 路灯热分析及散热结构设计3 3 结果数据分析通过表4 的结果数据可看出第2 2 号模型的结构最为理想，该模型的芯片最高温度为4 3 7 2，小于原模型的4 3 8 4。C，但其质量仅是原模型的3 3 4 0，因此如果选用该模型，可达到在散热效果基本不变的前提下降低散热器用料、控制成本的目的。利用极差分析方法对表4 中正交试验模拟结果进行分析(见表5 表8)，将数据绘图如图4 图7。表5 翅片

19、厚度对试验指标的极差分析表注：为该因素水平对应的散热器质量的平均值；r 为该因素水平对应的芯片最高温度的平均值，极差等于各试验指标平均值中的最大值减最小值。表6 翅片间距对试验指标的极差分析表注：同表5。表7 翅片高度对试验指标的极差分析表注：同表5。对由表5 表8 和图4 一图7 可得出：随着翅片厚度的增加，散热器质量增加，芯片最高温度增加，随翅片间距增加，散热器质量减小，芯片最高温度增加随翅片高度增加，散热器质量增加，芯片最高温度减小；随平板厚度增加，散热器质量增加，芯片最高温度减小。表8 平板厚度对试验指标的极差分析表注：同表5。图4 翅片厚度-试验指标关系曲线；图5 翅片间距试验指标关

20、系曲线在模拟的范围内，通过对表5 一表8 中各因素对试验指标的极差进行排队，可得到散热器各结构参数对散热器质量及芯片最高温度影响大小的情况。一4 7 万方数据第9 卷第5 期电子与封装对散热器质量的影响由大到小的因素依次为：翅片厚度、平板厚度、翅片高度、翅片间距。对芯片最高温度的影响由大到小的因素依次为：翅片间距、翅片高度、平板厚度、翅片厚度。综上所述，在设计翅片式大功率L E D 散热结构时，应在合适的范围内使翅片的厚度和间距尽可能小一些，这样可以同时有效地减小散热器的质量，控制芯片的最高温度。图6 翅片高度-试验指标关系曲线图7 平板厚度一试验指标关系曲线4结论及展望群迅却斟舒闻f 5的材

21、料成本将下降近4 0 元，由此可大量降低大功率L E D 的成本，节约材料。在对所有的模型进行分析后，发现模型边缘温度较低，而最高温度均出现在同一芯片上，原因是由于需要固定散热器，该芯片底部没有散热翅片。因此考虑利用散热器的边缘作为固定位置，而将原模型缺少的翅片补齐，则最高温度出现在处于整个模型最中间的芯片上，且最高温度仅4 1 7 4，比原模型低2 1，可见原散热器为固定而设计的中间无翅片结构对于散热影响较大。当然还可以考虑其他固定散热器的形式，以避免原模型造成的散热不良的影响。参考文献：【l】B a r b a r aG A，D a v i dJ B，e ta 1 A s s e s s

22、i n gC o n s u m e rV a l u e sa n dS u p p l y Z C h a i nR e l a t i o n s h i p sf o rS o l i d S t a t eL i g h t l n gT e c h n o l o g i e s，2 0 0 4【2】D a v i dG P e l k a,K a v i t aP a t e i A nO v e r v i e wo fL E DA p p l i c a t i o n sf o rG e n e r a lI l l u m i n a t i o n J P r o c

23、e e d i n g so fS P I E，2 0 0 4，5(1 8 6)：1 5-2 6【3】齐昆，陈旭大功率L E D 封装界面材料的热分析【J】电子与封装，2 0 0 7，7(6)：8-1 3【4】J a m e sP e t r o s k i T h e r m a lC h a l l e n g e sF a c i n gN e wG e n e r a t i o nL i g h tE m i t t i n gD i o d e s(L E D s)f o rL i g h t i n g A p p l i c a t i o n s们P r o c e e d

24、i n g so fS P I E，2 0 0 2，47 7 6，215-2 2 2【5】钱可元，胡飞，吴慧颖大功率白光L E D 封装技术的研究【J】半导体光电，2 0 0 5，2 6(2)：11 8 1 2 0【6】张雪粉，陈旭功率电子散热技术【J】电子与封装，2 0 0 7，7(6)：3 5 3 9【7】博弈创作室A P D L 参数化有限元分析技术及其应用实例【M】北京：中国水利水电出版社，2 0 0 4【8】冯亚云化工基础实验 M】一匕京：化学工业出版社，2 0 0 0 本文利用A N S Y S 有限元分析软件，对大功率L E D 进行了热分析，并通过设计正交实验，分析了翅片式铝制热沉各结构参数变化对其温度场的影响情况，并得到了较为理想的散热结构模型。如选用表4 中最优的第2 2 号模型，按每吨标准合金压铸铝研究。锭约1 3 5 万元计算，则每个大功率L E D 路灯散热器4 8 作者简介：张琦(1 9 8 5-)，男，山东广饶人，天津大学化工学院，硕士研究生，主要从事结构热分析及功率电子封装的研究，陈旭(1 9 6 2-)，男，浙江衙,f l-1 人，教授，博导，从事微电子封装及可靠性万方数据