大功率LED散熱仿真分析

摘要：考慮熱導率與散熱方式的影響，使用大型有限元軟件ANSYSl0.0模擬并分析了大功率LED熱分布。通過分析不同封裝、熱沉材料及散熱方式對LED熱分布與最大散熱能力的影響，指出解決LED散熱問題的關鍵不是尋找高熱導率的材料，而是改變LED的散熱結構或者散熱方式。
關 鍵 詞：大功率LED；散熱；有限元法(FEM)；熱導率

1 引言
目前，很多功率型LED的驅動電流達到70 mA、100 mA甚至1 A，這將會引起芯片內部熱量聚集，導致發光波長漂移、出光效率下降、熒光粉加速老化以及使用壽命縮短等一系列問題。業內已經對大功率LED的散熱問題作出了很多的努力：通過對芯片外延結構優化設計，使用表面粗化技術等提高芯片內外量子效率，減少無輻射復合產生的晶格振蕩，從根本上減少散熱組件負荷；通過優化封裝結構、材料，選擇以鋁基為主的金屬芯印刷電路板(MCPCB)，使用陶瓷、復合金屬基板等方法，加快熱量從外延層向散熱基板散發。多數廠家還建議在高性能要求場合中使用散熱片，依靠強對流散熱等方法促進大功率LED散熱。盡管如此，單個LED產品目前也僅處于1～10 W級的水平，散熱能力仍亟待提高。相當多的研究將精力集中于尋找高熱導率熱沉與封裝材料，然而當LED功率達到lO W以上時，這種關注遇到了相當大的阻力。即使施加了風冷強對流方式，犧牲了成本優勢，也未能獲得令人滿意的變化。
討論在現有結構、LED封裝及熱沉材料熱導率等因素變化對于其最大功率的影響，尋找影響LED散熱的關鍵因素。研究方法為有限元熱分析法．該方法已有實驗驗證了LED有限元模型與其真實器件之間的差別，證明其在誤差許可范圍內是準確可行的。

2 建立模型
2．1 有限元熱分析理論
三維直角坐標系中的瞬態溫度場場變量T(x，y，z，t)滿足：

式中：T/x，T/y，T/z為沿x，y，z方向的溫度梯度；λxx,λyy，λzz為熱導率；q0為單位體積的熱生成；ρc是密度與比熱容的乘積：dT/dt為溫度隨時間的變化率。

式中：Vx，Vy,Vz為媒介傳導速率。
對于穩態熱分析而言，T/t=0，式(1)可化簡為：

根據式(3)、邊界條件與初始條件，利用迭代法或者消去法求解，得出熱分析結果。
2．2 幾何模型的建立
圖1為依據常見1 w大功率LED尺寸建立并簡化、海鷗翼封裝鋁熱沉的大功率LED圖形，底座接在MCPCB鋁基板上。主要數據：芯片尺寸為1 mm×1 mm×O.25 mm，透鏡為直徑是13 mm的半球。硅襯底為邊長17 mm，高0.25 mm的正六棱柱，MCPCB為直徑20 mm，高1.75 mm的六角星形鋁質基板。

2．3 有限元模型的建立
模型采用ANSYSl0.0計算，為方便分析，假設模型：
LED輸入功率為1 W，光效率取10％；封裝體外部的各組件(包括MCPCB、陶瓷封裝、熱沉的外部)通過與空氣的對流散熱；器件與外界的熱對流系數為20。工作環境溫度為25℃；器件滿足使用ANSYS軟件進行穩態有限元熱分析的條件；最大結溫選擇為125℃。各種材料的參數如表1所示。

3 分析各種因素對于散熱能力的影響
3.1 熱輻射系數對LED散熱的影響
圖2為表面黑度為0.8時的溫度云圖。根據斯蒂芬-玻耳茲曼定律，輻照度j*與溫度T之間的關系：j*=εσT4。其中ε為黑體的輻射系數；σ=5.67×10-8w／(m2·k4)，稱為斯蒂芬-玻耳茲曼常數。因此可知，溫度越高，輻照度越大。當輸入功率為1 W時，經由表面輻射散出的熱能為7.63×10－4W，僅占總熱功率的1.63‰；功率達到2 W時，經輻射散出的熱能也僅占6.33‰。因此改變熱輻射系數對于提高散熱能力改善成效不大，散熱的關鍵在于提高另外兩種散熱方式：熱傳遞和熱對流。盡管如此，仍有一些廠家將LED器件的外表面涂成黑色，以期最大限度地利用輻射散熱。