王琛，徐慧君，申勛業(yè)

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱150030）

1 LED結(jié)構(gòu)及特性

LED（Light Emitting Diode），發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來[1]。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來的時候，它們之間就形成一個“P-N結(jié)”。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長決定光的顏色，是由形成P-N結(jié)的材料決定的。

LED具有功耗低、體積小、可靠性高、壽命長和響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，已被應(yīng)用于儀器儀表、計算機(jī)、汽車、電子玩具、通訊、自動控制、軍事等領(lǐng)域。由于發(fā)光效率和發(fā)光強(qiáng)度的極大提高，達(dá)到燭光級的亮度，大功率LED已經(jīng)逐步被應(yīng)用于公路、鐵路和機(jī)場的交通信號燈系統(tǒng)，汽車的尾燈、剎車燈和方向燈、戶外大屏幕信息顯示和全彩色電視顯示系統(tǒng)等[2]。

2 大功率LED發(fā)展

大功率LED是指擁有大額定工作電流的發(fā)光二極管。普通LED功率一般為0.05W、工作電流為20mA，而大功率LED可以達(dá)到1W、2W、甚至數(shù)十瓦，工作電流可以是幾十毫安到幾百毫安不等[3]。由于目前大功率LED在光通量、轉(zhuǎn)換效率和成本等方面的制約，因此決定了大功率白光LED短期內(nèi)的應(yīng)用主要是一些特殊領(lǐng)域的照明，中長期目標(biāo)才是通用照明。何謂大功率LED，業(yè)界也沒有公認(rèn)的說法，目前普遍默認(rèn)的劃分標(biāo)準(zhǔn)為，超過1W即屬于大功率LED或稱作瓦級LED。

我國雖有多家企業(yè)開發(fā)生產(chǎn)LED城市照明路燈，但很多是用小功率LED陣列作發(fā)光體，散熱問題解決了，所用LED數(shù)量要很多，小功率LED光衰強(qiáng)，安裝成本高。城市照明LED路燈采用大功率LED是發(fā)展的趨勢，少數(shù)用大功率LED作發(fā)光體的路燈產(chǎn)品由于沒有很好地解決功率達(dá)到一定量時，LED的散熱問題，LED的散光和聚光控制問題，路燈在路面照射面的照度范圍、型態(tài)和照度的均衡問題光電轉(zhuǎn)換效率太低，每瓦只有幾個流明等問題[4]。因此散熱和可靠性是影響大功率LED應(yīng)用主要因素。

3 熱效應(yīng)對LED的影響

LED其光譜中不含紅外成分，產(chǎn)生的熱量不能靠輻射發(fā)出，故LED是冷光源。目前LED的發(fā)光效率僅能達(dá)到10%～20%，還有80%～90%的能量轉(zhuǎn)換成了熱量。

對于LED，結(jié)溫（當(dāng)電流流過LED元件時，P-N結(jié)的溫度將上升，嚴(yán)格意義上說，就把P-N結(jié)區(qū)的溫度定義為LED的結(jié)溫。通常由于元件芯片均具有很小的尺寸，因此我們也可把LED芯片的溫度視之為結(jié)溫。）高會導(dǎo)致器件各方面性能的變化與衰減。這種變化主要體現(xiàn)在三個方面：（1）減少LED的出光量；（2）造成LED發(fā)出光的峰值波長偏移，從而導(dǎo)致光源的顏色發(fā)生偏移；（3）縮短LED的壽命。

大功率LED燈是否能夠正常工作，除LED芯片本身的因素之外，在很大程度上還取決于LED與散熱片的合理匹配及安裝接觸面的導(dǎo)熱條件。因此，散熱器的結(jié)構(gòu)形式及安裝工藝是大功率LED燈有效散熱的重要環(huán)節(jié)。

3.1 散熱片概述

大功率LED燈的散熱片主要是以輻射和對流散熱，通過增加散熱總的有效面積，提高散熱性能。散熱片一般采用導(dǎo)熱率高的材料，可用鋁、鐵、銅等材料。在截面積和厚度相同的條件下，銅材的散熱效果最好。但一般多用鋁材，因鋁的散熱性能優(yōu)于鐵，而重量比銅、鐵輕的多，成本遠(yuǎn)低于銅。散熱器表面應(yīng)光潔平整，內(nèi)部不得有疏松氣孔等缺陷。表面涂黑處理是將輻射率增大，有利于進(jìn)一步減小外熱阻。散熱器是由基體與若干翹片組成的散熱結(jié)構(gòu)，與單個翹片不同，其散熱單元為兩兩相鄰的翹片與基體組成的U形或V形等通道，因此，必須考慮間距和散熱片的肋片個數(shù)對散熱性能的影響。

散熱片的冷卻方式可分為自然冷卻和強(qiáng)迫冷卻兩類。強(qiáng)迫冷卻可分為強(qiáng)迫風(fēng)冷和強(qiáng)迫水冷兩種。自然冷卻通過空氣自然對流及輻射作用將熱量帶走；強(qiáng)迫風(fēng)冷需要配備風(fēng)機(jī)，強(qiáng)迫水冷需要配備循環(huán)水系統(tǒng)。照明用大功率LED燈，均是自然空氣冷卻散熱[5-6]。

4 ICEPAK仿真

4.1 ICEPAK軟件介紹

ICEPAK軟件由全球最優(yōu)秀的計算流體力學(xué)軟件提供商Fluent公司，專門為電子產(chǎn)品工程師定制開發(fā)的專業(yè)的電子熱分析軟件。借助ICEPAK的分析和優(yōu)化結(jié)果，用戶可以減少設(shè)計成本、提高產(chǎn)品的一次成功率（get-right-first-time）、改善電子產(chǎn)品的性能、提高產(chǎn)品可靠性、縮短產(chǎn)品的上市時間。ICEPAK軟件廣泛應(yīng)用于通訊、汽車及航空電子設(shè)備、電源設(shè)備，通用電器及家電等領(lǐng)域[7]。

ICEPAK軟件具有以下功能：

1.快速幾何建模功能：友好界面和操作、基于對象建模、各種形狀的幾何模型、大量的模型庫、ECAD/IDF輸入、專用的CAD軟件接口IcePro。

2.強(qiáng)大的zoom-in功能：能夠自動將上一級模型的計算結(jié)果傳遞到下一級模型，從系統(tǒng)級到板極，從板極到元件級，層層細(xì)化，大大提高您的工作效率。

3.先進(jìn)的網(wǎng)格技術(shù)：具有自動化的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成能力，支持四面體、六面體以及混合網(wǎng)格；具有強(qiáng)大的網(wǎng)格檢查功能。

4.參數(shù)化和優(yōu)化設(shè)計功能：可以通過設(shè)計變量來定義任何一個復(fù)選框——active、湍流、輻射、風(fēng)扇失效等；任意量都可設(shè)置成變量，通過變量的參數(shù)化控制來完成不同工況、不同結(jié)構(gòu)、不同狀態(tài)的統(tǒng)一計算；通過對變量自動優(yōu)化，獲得熱設(shè)計的最優(yōu)方案。

5.豐富的物理模型：自然對流、強(qiáng)迫對流和混合對流、熱傳導(dǎo)、熱輻射、流-固的耦合換熱、層流、湍流、穩(wěn)態(tài)、非穩(wěn)態(tài)等流動現(xiàn)象。

6.強(qiáng)大的解算功能：FLUENT求解器、結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的求解器、能夠?qū)崿F(xiàn)任何操作系統(tǒng)下的網(wǎng)絡(luò)并行運(yùn)算。

7.強(qiáng)大的可視化后置處理。

4.2 ICEPAK軟件模擬仿真

現(xiàn)以一典型LED燈為例，使用熱分析軟件Fluent Icepak v4.2分析翹片各幾何參數(shù)、位置、材料、表面處理等對散熱性能的影響。建立物理模型：選定某一大功率LED芯片為熱源，工作在自然空氣冷卻條件下，選取的散熱器為鋁材料，鋁基板0.03 m× 0.03 m×0.001 m，LED芯片0.025 m×0.025 m，散熱片基體、LED芯片、鋁基板間通過導(dǎo)熱膠連接。相關(guān)參數(shù)如下表1所示。

表1 LED燈相關(guān)參數(shù)Table 1 Pertinent parameter of LED lamp

4.2.1 散熱片翹片的影響

任選一表面增設(shè)翹片，僅翹片某一幾何參數(shù)變化，其余參數(shù)保持不變時，分析LED芯片結(jié)溫變化情況。由上面分析結(jié)果可知，上表面翹片散熱效果較明顯，故選擇翹片縱向分布在散熱器基體上表面。翹片寬度0.003m，長度0.14m，數(shù)量20均布，其他幾何參數(shù)及環(huán)境條件均保持不變，建立物理模型，如表2所示。

表2 不同翹片高度時LED芯片結(jié)溫Table 2 LED chip Junction Temperature of different Heat Sink height

表2所示表示結(jié)溫是翹片高度的函數(shù)。達(dá)到某一高度后翹片散熱效果就會降低，在本例中散熱器高度從0.06m開始到0.01m，每增加0.02 m對結(jié)溫的改善只有約2℃。

翹片厚度的影響是選擇翹片縱向分布在散熱器基體上表面。翹片高度0.03 m，長度0.14 m，數(shù)量20均布。其他幾何參數(shù)及環(huán)境條件均保持不變。如表3。

表3 各種翹片厚度時LED芯片結(jié)溫Table 3 LED chip Junction Temperature of different Heat Sink thickness

翹片的厚度達(dá)到某一厚度后翹片散熱效率就會降低，而且LED結(jié)溫隨著翹片厚度的增加降低的越來越小，這是因?yàn)槁N片厚度增加減小了翹片間距，阻礙了翹片間帶走熱量的空氣流動速度。

翹片長度的影響是翹片縱向分布在散熱器基體上表面。翹片高度0.03 m，厚度0.003 m，數(shù)量20均布。其他幾何參數(shù)及環(huán)境條件均保持不變。如表4。

表4 不同翹片長度時LED芯片結(jié)溫Table 4 LED chip Junction Temperature of different Heat Sink length

翹片數(shù)目的影響是選擇翹片縱向分布在散熱 片。翹片高度0.03 m，厚度0.003 m，長度為0.14 m。其他幾何參數(shù)及環(huán)境條件均保持不變。如表5。

表5 不同翹片數(shù)目對LED芯片結(jié)溫Table 5 LED chip Junction Temperature of different Heat Sink number

4.2.2 散熱片表面處理的影響

散熱片以對流和輻射的形式對外散熱，在自然對流情況下，應(yīng)考慮輻射的影響。表面處理指翹片表面涂覆復(fù)合材料或煮黑等氧化處理，提高翹片表面輻射率（輻射率是描述面輻射源特性的物理量，它表示輻射源在某一方向上的單位投影表面在單位立體角內(nèi)的輻射通量[7]）。選擇翹片縱向分布在散熱片。翹片高度0.03m，厚度0.003m，長度為0.14m，數(shù)目20片，均勻分布。在其他幾何參數(shù)及環(huán)境條件均保持不變的情況下。如表6所示。

表6 不同輻射率時LED芯片結(jié)溫Table 6 LED chip Junction Temperature of different Heat Sink radiance

表6結(jié)溫是輻射率的函數(shù)。隨著翹片表面處理后輻射率的提高，LED結(jié)溫隨輻射率增大而減小，但是超過某一數(shù)值后隨著輻射率繼續(xù)增大LED結(jié)溫降低的趨勢越來越小，散熱效果不明顯[8]。

5 結(jié)論

在對LED燈散熱片散熱性能分析中，我們并沒有改變散熱片的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，由于散熱片主要是靠散熱翹片增加散熱面積來達(dá)到有效散熱。如果改變散熱片與器件的連接基體，基體的散熱影響并不明顯，并且改變基體在實(shí)際中并不容易，會提高散熱片的成本。綜合上述可知：

（1）散熱片雖然前、后、左、右四側(cè)面上單位面上的散熱效率高，但由于工藝受到了限制。我們設(shè)計翹片或重點(diǎn)對上表面的翹片進(jìn)行優(yōu)化。

（2）散熱片翹片厚度對散熱器性能的影響不如翹片長度、高度、數(shù)目的影響明顯；所以在進(jìn)行散熱器優(yōu)化設(shè)計時，要考慮影響散熱片性能的主要因素，這樣既可以節(jié)省時間，也能滿足工程需求。翹片尺寸達(dá)到一定程度后，若繼續(xù)增大，其對散熱片散熱性能的增強(qiáng)效果就變得不明顯，因此翹片各幾何參數(shù)存在最優(yōu)值。

（3）涂覆、氧化等表面處理，翹片表面與環(huán)境的溫差增大均對散熱片散熱性能有明顯增強(qiáng)作用，所以，工程應(yīng)用或翹片的優(yōu)化也應(yīng)重點(diǎn)考慮這些因素。

［1］呂正，姚和軍.發(fā)光二極管的發(fā)展現(xiàn)狀與市場前景［J］.現(xiàn)代計量測試，2005，8：8-11.

［2］蘇達(dá)，王德苗.大功率LED散熱封裝技術(shù)研究的新進(jìn)展［J］.電力電子技術(shù)，2007，10（41）：69-71.

［3］盧文全，張仲生.新型大功率白光LED組件［J］.中國照明電器，2007，6（6）：761-765.

［4］李志航，高鐵成.LED道路照明光源的散熱與配光應(yīng)用［J］.電器技術(shù)2008，4：95-98.

［5］從秋波.LED照明趨勢：寬范圍、高能效及創(chuàng)新驅(qū)動［J］.電子設(shè)計技術(shù)，2010，1（8）：42-44.

［6］張持健，陸同興集成電路靜電放電的保護(hù)及預(yù)防［J］.電工技術(shù)，1998，8（53）：53-55.

［7］Sheng Liu，Tim Lin，Xiao bing Luo，et al.A Microjet Array Cooling System or Thermal Management of Active Readers and High-Brightness LED［A］.Electronic Components and Technology Conference［C］.2006：1634-1638.

［8］余彬海.結(jié)溫與熱阻制約大功率LED發(fā)展［J］.發(fā)光學(xué)報，2005，26（6）：761-766.