基于垂直與水平散熱模式LED光電熱特性研究(一)

　　關鍵詞：LED；熱管理；ANASYS；光電熱特性；光衰

　　LED固體光源，與傳統光源相比，具有效率高、光色純、能耗低、壽命長，可靠耐用、應用靈活、無污染等優點，目前已廣泛應用于道路照明、家用照明、汽車燈照明、景觀照明等領域[1]。然而良好的散熱特性是LED優異性能和穩定可靠的根本保證。溫度對LED性能產生重要的影響，包括色溫改變、波長紅移、效率下降、正向壓降等等，因此，熱管理對LED的性能、光轉換效率以及應用產生重要的影響[2]。

　　本文主要研究新型垂直散熱模式LED在光電熱特性方面的潛在優點。與傳統水平散熱模式LED相比，垂直散熱結構LED具有亮度高、散熱快、光衰小、成本低、穩定可靠的特點，是目前中小功率LED中應用照明光源的發展趨勢。

　　一、垂直與水平散熱模式結構對比

　　在本文兩種不同散熱模式LED特性分析中，新型垂直散熱模式LED選用目前市場及應用熱門的3014LED為例，傳統水平散熱模式則選用常用的3528LED為例，以做對比分析。

　　圖1和圖2分別為垂直散熱與水平散熱LED的結構示意圖，圖3所示為兩種LED的散熱方式示意圖。

　　圖1. 垂直散熱模式結構示意圖

　　圖2. 水平散熱模式結構示意圖

　　圖3. 水平與垂直散熱方式示意圖

　　從圖1、圖2的結構圖中可以看出，3528LED在結構是通過銲接兩端電極的焊腳進行散熱，散熱方式為水平散熱。3014LED在結構上是通過底板散熱通道進行散熱，散熱方式主要為垂直散熱。圖3更清楚的表達了兩種不同結構LED 的散熱模式。
二、LED燈珠的熱學特性模擬

　　為了更好的研究對比分析不同散熱結構LED的散熱情況，我們使用了ANASYS有限元分析模擬軟件進行建模及熱學模擬分析。

　　為了能更方便的計算LED的熱阻，首先設置底板溫度參數為60℃，芯片功率為0.06W，固晶膠KER-3200-TI厚度為0.01mm，驅動電流為20mA進行熱分析，水平散熱結構 LED及垂直散熱結構LED的熱分布分別如圖4、圖5所示。

　　圖4. 水平散熱結構LED熱模擬溫度分布圖

　　圖5. 垂直散熱結構LED熱模擬溫度分布圖

　　表1. 散熱模擬溫度數據

　　由圖4、圖5及表1可以看出，當同時控制基底溫度為60℃和LED工作電流為20mA時，雖然垂直散熱模式LED的芯片溫度要略高，這是因為所選用的3014LED模型的體積及散熱面積均遠小于3528 LED，熱量過于集中所造成。但垂直散熱模式的溫差較小，其熱阻117 mm2℃/W也遠低于傳統水平散熱156 mm2℃/W，均表明垂直散熱模式的散熱效率優于水平散熱模式。

　　為了更接近散熱的客觀事實情況，對LED熱特性進行第二次模擬分析。此次模擬在模型中加入相同尺寸的鋁板，不限定其溫度，只設定驅動電流為20mA，與現實使用情況相符。水平散熱LED及垂直散熱LED的熱分布分別如圖6、圖7所示。

　　圖6.水平散熱結構LED熱模擬溫度分布圖

　　圖7.垂直散熱結構LED熱模擬溫度分布圖

　　表2.LED散熱模擬溫度數據

　　由圖6、圖7及表2可看出，垂直散熱模式LED的芯片溫度、負極溫度、溫差、熱阻等各項參數均遠小于水平散熱燈珠，這表明垂直散熱模式能把積聚在內部芯片的熱量及時散去。此模擬結果表明了在不設定任何溫度限制即更接近于客觀事實的情況下垂直散熱模式具有更高散熱效率的優勢。

　　因一般3014LED在使用過程中一般多用25mA或者30mA電流驅動，所以對25mA 驅動的3014LED進行了熱模擬分析。模擬條件如下：功率設為0.072W，固晶膠厚度設為0.01mm，正向電流IF設為25mA，相同尺寸鋁板，不限定溫度。此種情況的熱分布分別如圖8所示。表3為此次熱模擬分析的結果。與垂直散熱LED在20mA驅動時散熱情況相比，其芯片和負極的溫度大幅度降低，表明垂直散熱LED在大電流驅動時凸顯出更優的散熱效果。

　　圖8. 垂直散熱結構LED熱模擬溫度分布圖

　　表3. 垂直散熱結構LED熱模擬結果（25mA）

　　對比表2、表3，即如表4所示，通過分析，3014LED即使在25mA驅動下，其芯片、負極溫度、溫差與20mA驅動的3528LED相當，而其熱阻130 mm2℃/W遠低于20mA驅動的3528LED。

　　結果表明：即使大電流驅動垂直模式LED，其散熱效果依然優于小電流驅動的水平散熱模式LED。此外，良好的散熱優勢使得垂直模式LED在大電流驅動下獲得更高的光通量。在照明應用中小功率LED加大電流提高光通量從而可降低成本。垂直模式LED散熱效率高、光通量高、成本低的優勢是成為照明應用光源趨勢的主要因素。

　　表4. 3014LED（25mA）與3528LED（20mA）的熱模擬對比