大功率白光LED灯具散热优化方案

白 坤 聂秋华 吴礼刚 戴世勋 林万炯 周伯友 马湘君 郑兆勇

(1.宁波大学信息科学与工程学院，浙江宁波 315211;2.宁波赛尔富电子有限公司，浙江宁波 315103)

1 引言

相比白炽灯、日光灯和紧凑型荧光灯而言，功率型白光LED具有亮度高、功耗低、体积小、便于集成、抗力学损伤、污染小等一系列优点［1～3］。大功率白光LED灯与白炽灯、荧光灯相比，分别可节省80%～90%和50%的电能，且其寿命高达8～10万小时，是白炽灯的20～30倍，荧光灯的10倍。功率型LED与太阳能电池、电磁感应电池联合使用堪称极具竞争力的绿色光源。随着LED白光技术的深入发展，尤其是GaN系Ⅲ-V族化合物半导体的晶体生长工艺技术及纳米技术的进步［4］，LED的光效和大功率集成技术得到大幅度提高。目前，单芯片LED功率已达5W甚至更高，而电光转换效率仅15%～20%，剩余80%以上转化为热能，且芯片尺寸仅为1mm×1mm～2.5mm×2.5mm，导致芯片功率密度较大，LED结温升高。最终造成波长红移，寿命减少，可靠性下降等问题。研究表明，LED的发光波长随温度变化为0.2nm/℃～0.3 nm/℃，这对于蓝光芯片涂覆YAG荧光粉得到的白光LED而言，波长漂移会引起发光波长与荧光粉激发波长失配，从而降低白光LED的整体光效，并导致白光色温的改变。室温下，LED结温每升高1℃，光通量则会相应地减少1%左右。当温度超过一定值时，器件的失效率将呈指数规律上升，元件温度每上升2.0℃，可靠性下降10%［5］。因此大功率白光LED产品散热问题亟待解决。

一般来说，解决此类问题从主动和被动方面出发:主动散热方面，2006年Sheng Liu、鲁祥友等人通过在散热器上安装一个微泵浦系统以驱动流体［6～7］，试验证明这种方法能有效地通过工质循环带走热量。秦熠等介绍了半导体制冷技术，该技术利用半导体材料的帕尔帖效应。当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端分别吸收热量和放出热量［8］。被动散热方面，OSRAM推出了单芯片“Gokden Dragon”系列LED，将芯片用红外或回流焊焊接在铜合金热扩散层上［9］，热扩散层再焊接在铝芯MCPCB上，热沉与MCPCB直接接触，具有良好的散热效果。尽管主动散热效果显著，但是无论从可靠性还是成本方面考虑，被动散热一般为大功率LED散热首选方案，本文采用被动散热方式、重点对散热器进行设计和优化。

利用有限元软件［10］，并结合热传导与热对流原理，模拟稳定工作时LED灯具的温度场分布。在模拟结果与实验测量计算结果较吻合的基础上，研究散热器底座厚度、散热器肋片高度、散热器肋片个数、散热器孔洞对散热效果的影响。

2 模型的建立与热分析

2.1 模型的建立

直接在有限元分析软件中建立几何模型模并划分网格。由于环氧树脂、透镜定位圈等的导热性能较差，此处做绝热处理，建模时不予考虑。模型主要由芯片、陶瓷衬底、铜箔、锡膏、覆铜铝基板、导热硅脂、铝散热器构成。

芯片尺寸1.2mm×1.2mm，单颗功率为2.5W。芯片电光转换效率为20%，则芯片的热流密度1.389W/mm2。一般情况下空气自然对流系数为1～10W/(m2·K)，此处考虑室内工作环境，取灯具内表面加载对流系数为2.5W/(m2·K)，外表面加载对流系数为5W/(m2·K)，环境温度均为35.0℃。主要封装材料的物理属性见表1。

表1 LED灯具物理系数

2.2 热分析

图1 温度场分布

图2 温度随时间的变化曲线

为了节省计算机资源，提高运算速度，根据灯具的周期对称性特征，取其1/6结构进行稳态热分析。其热分析包括热传导，热对流及热辐射三种传递方法［11～13］。由于1W 单颗 LED热辐射仅能带走1.63‰的热量，功率达到2W时辐射热量也仅占6.33‰［14］，故仅考虑热传导与对流对散热的影响。设置好各项参数后进行有限元仿真，得到的温度场分布如图1所示。稳态分析结果显示，大功率白光LED芯片最高温度为110.5℃。散热器温度为71.6℃～75.9℃。图2所示为大功率LED六芯筒灯瞬态温度变化曲线，可以看出“CERAMIC SUBSRATE”这条曲线在前54分钟一直处于升温阶段，“HEAT SINK”这条曲线显示48分钟后便达到稳定状态，与“MCPCB”、“THERMALPAD”、“SOLDER PASTE”曲线类似。 “THERMAL GREASE”曲线在54分钟后处于稳定阶段。整个系统在大约1小时后趋于热稳定状态。

3 实验测试与结温估算

在热特性计算中主要用到下列基本热学公式［15］:

RθJ－Ref为从二极管 pn节点到某个参照点热阻(℃/W); ΔTJ－Ref为结温 TJ与参照点温度 TRef之差(℃);PD为功率耗散 (W)是LED正向电流 (If)与LED正向电压 (Vf)之积。

将公式 (1)也可表述为:

在环境温度Ta=35.0℃下，将灯具通电2小时以上，以达到热稳定状态，通过热电偶温度测量，获知引脚温度TRef=75.0℃。已知Vf=3.4V，If=700mA。并计算出 PD=2.38W，RθJ－Ref=16℃/W。根据公式 (2)可得结果TJ≈113.1℃。这与模拟结果较吻合。

4 结构设计与优化

对于系统内部有热源的三维直角坐标系下的导热问题，物体单位面积上的热流速率可以用傅立叶导热定律来表征。则可以得到如公式所示的导热微分方程。

其中q表示在单位时间内单位体积所发生的热量，简称为热源发热率，其单位为J/(m3·s)。

不管层流或者湍流条件下的传热，紧贴壁面处一定为层流，对于不可压缩流体或者导热系数k为实常数的层流导热过程，若为二维传热过程，其层流边界层热量方程可以表示为:

涉及对流换热的温度场分布必满足上述方程，其中ux和uy表明流动情况会影响温度场的分布。

结合稳态工作时的温度场分布优化LED灯具结构及散热器结构，以便达到有效热排放。研究衬底材料、功率对LED热性能的影响。并根据模拟结果和热传导、热对流原理对该模型进行散热封装结构优化，在尽量节省成本的情况下，降低LED器件的结温和散热器温度。

采用导热性能较好的Si和SiC衬底材料，其导热率分别为150W/m·℃、490W/m·℃。采用 Si衬底的LED灯具温度场分布表明LED芯片结温为87.1℃，相比原来采用陶瓷衬底下降了23.4℃。散热器最低温度无明显变化，均为71.6℃。灯具整体温差由原来的 28.9℃下降至 15.5℃，下降了13.4℃。由图2可以看出，Si衬底的温度场分布比较均匀，整体温差为7.2℃。

采用SiC衬底的LED灯具温度场分布表明LED芯片结温为83.6℃，相比原来采用陶瓷衬底下降了26.9℃。散热器最低温度无明显变化。灯具整体温差由原来的28.9℃下降至12.0℃，下降了16.9℃。灯具中的SiC衬底层的温度场分布比较均匀，整体温差为2.7℃。

综上所述，本文提出一种散热封装优化结构。如图3所示，将铜箔所对正下方打通，通过铜柱直接与散热器连接 (铜柱为立方体，体积为2mm×3mm×1.3mm)，接触面所形成的热通道即能将热量快速有效地输出又保证了MCPCB的电气连接。

图3 新型封装结构图

图4所示为新型散热封装结构的温度场分布，可以看出结温为103.4℃，相比初始设计方案降低了7.1℃。散热器温度反而上升了2.8℃，可以解释为芯片释放的热量快速有效地传递到散热器。陶瓷衬底的整体温差由原来的32.1℃下降至26.6℃，热阻相比原来下降了20%左右。MCPCB温差由原来的13.8℃下降至3.5℃，热阻相比原来下降了75%左右。整个灯具热阻下降了25%左右。

图4 温度场分布

综上所述，我们将得出一个最优化方案。也就是在上述新型封装结构的基础上，采用SiC衬底。此方式得到的温度场分布显示出大功率LED芯片结温仅为79.0℃，散热器最低温度为74.4℃。优化前后结果对比如表2所示，原始灯具标记为1号，对原始灯具仅改用SiC衬底灯具标记为2号，仅采用新型封装结构标记为3号，采用SiC衬底和新型封装结构标记为4号。可以看出，2号结温仅为83.6℃，相比原始灯具下降了24%。并且2号灯具各个部件的温差较小，温度分布更加均匀。3号为新型散热封装结构灯具，在没有改变材料参数的情况下，使得结温下降了到7.1℃。并且MCPCB温差仅为3.5℃，相比原始值下降了75%。4号灯具为采用 SiC衬底的新型散热封装结构，其结温为79.0℃，相比原始值下降了28%左右。但是散热器温度反而上升了几度，可以解释为由于材料和结构设计较为合理，使得芯片产生的热量能够快速有效地传至外部散热器，然后与空气进行对流换热。

表2 结果对比

5 结论

本文基于热传导与热对流的有限元仿真，并根据灯具的周期对称性，计算仿真其1/6结构得到温度场分布。仿真结果与实测实验吻合较好。研究了三种芯片衬底材料和两种散热结构对大功率LED灯具散热效果的影响。通过分析比较四种不同散热组合方式，最终得到一种最优化方案，采用SiC衬底的新型散热封装结构，其结温仅为79.0℃，相比原始值下降了28%左右。

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