重慶郵電大學(xué) 蔡雪梅 金 濤

1.前言

目前市場(chǎng)上比較成熟的商品化功率型LED輸入功率一般為1W，芯片的面積為1mm×1mm，其熱流密度達(dá)到了100W/cm2[1]。隨著芯片科技的日益成熟，單個(gè)LED芯片的輸入功率可以提高到5W甚至更高[2]。如果熱量集中在很小的芯片內(nèi)而不能有效散出，則會(huì)導(dǎo)致芯片溫度升高，引起熱應(yīng)力的非均勻分布、芯片發(fā)光效率和熒光粉轉(zhuǎn)換效率下降等一系列問(wèn)題。

目前大功率LED芯片的應(yīng)用越來(lái)越多，資料顯示大功率LED只能將約10%—15%的輸入功率轉(zhuǎn)化為光能，而將其余的85%—90%轉(zhuǎn)化為熱能[3]。

肋片散熱器是電子器件散熱廣泛采用的散熱方式[4]，按引起流動(dòng)的原因而論，可分為強(qiáng)制對(duì)流散熱器和自然對(duì)流散熱器；按散熱器上擴(kuò)展表面的形狀，可分為等截面直肋、針肋、環(huán)肋和套片式；按肋片的排列方式，可分為串聯(lián)排列和交錯(cuò)排列；按制作材料，可分為銅和鋁合金散熱器[5]，肋片的研究，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家和學(xué)者做了大量的實(shí)驗(yàn)和研究，主要從增加增加熱源與環(huán)境接觸面積、減少芯片與散熱器間接觸熱阻和提高表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)三方面考慮。

由于對(duì)LED散熱器體積和噪聲等方面的要求，本文采用自然對(duì)流的方式對(duì)LED肋片散熱器進(jìn)行仿真分析。

2.LED模型的建立

散熱基板采用鋁制基板。采用芯片下方直接與銅熱沉接觸，更利于散熱如表一所示。

3.LED等距排列的有限元分析

將LED散熱器14等分，含有15個(gè)肋片，單個(gè)肋片的厚度是1mm（如圖1所示）。

定義邊界條件，芯片產(chǎn)生的熱量一部分通過(guò)金屬基板和散熱器向空氣中散熱，另一部分則通過(guò)對(duì)流和熱輻射的形式穿過(guò)封裝殼內(nèi)部空間，達(dá)到外殼側(cè)壁和頂部的內(nèi)表面，再通過(guò)導(dǎo)熱的形式傳遞到外表面，由于封裝材料導(dǎo)熱能力差，計(jì)算時(shí)將這部分散熱忽略[6]。因此，我們將封裝材料封裝的芯片表面、粘結(jié)材料表面和基板的部分表面都定義為絕熱表面，其余定義為自然對(duì)流壁面。

圖1

假設(shè)周?chē)沫h(huán)境溫度是30℃，對(duì)流模式為空氣自然對(duì)流，透鏡的外表面熱傳遞系數(shù)是5W/(mk)，散熱器底面的散熱系數(shù)是10W/(mk)。1W的LED功率施加在1mm×1mm×0.25mm的LED芯片上，假設(shè)有85%的能量以熱量的形式散出，則產(chǎn)生的熱流密度是3.4×109W/m3。為了簡(jiǎn)化模型，不考慮封裝過(guò)程中的各層之間的附加接觸熱阻。表一為芯片LED封裝所使用的材料以及尺寸和熱導(dǎo)率的大小。

實(shí)驗(yàn)的仿真溫度與論文大功率LED散熱研究及散熱器設(shè)計(jì)的溫度一樣，該論文的仿真溫度為37.3℃，驗(yàn)證了仿真的正確性。

開(kāi)初談的是衣服怎樣穿，穿什么樣的顏色的，穿什么樣的料子。比如走路應(yīng)該快或是應(yīng)該慢，有時(shí)白天里她買(mǎi)了一個(gè)別針，到夜里她拿出來(lái)看看，問(wèn)我這別針到底是好看或是不好看，那時(shí)候，大概是十五年前的時(shí)候，我們不知?jiǎng)e

表一 不同材料下導(dǎo)熱系數(shù)與尺寸

4.定義4種類(lèi)型的不同疏密度的肋片散熱器如圖2-5所示

圖2 類(lèi)型Ι

圖3 類(lèi)型Ι Ι

圖4 類(lèi)型Ι Ι

圖5 類(lèi)型Ⅳ

表二 不同坐標(biāo)下模型的最低和最高溫度

表三 正交試驗(yàn)表

表四 散熱器中心肋片的厚度對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的極差分析表

表五 橫向?qū)崞暮穸葘?duì)試驗(yàn)指標(biāo)的極差分析表

表六 橫向?qū)崞膶挾葘?duì)試驗(yàn)指標(biāo)的極差分析表

表七 四種不同疏密度的散熱器對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的極差分析表

5.散熱器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)一

對(duì)于中間密集兩邊疏散的肋片分布，有效的提高了散熱性能。為了提高散熱器熱量的橫向傳輸能力，該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一個(gè)橫向的導(dǎo)熱肋片來(lái)增強(qiáng)兩邊肋片與中間肋片的熱傳導(dǎo)。理論公式如下：

對(duì)于增加的橫向?qū)崞奈恢茫瑢?shí)驗(yàn)分為以下幾種情況，結(jié)果如下：

假設(shè)橫向?qū)崂咂膶挾仁?0mm，厚度是2mm，長(zhǎng)度是35mm，其他參數(shù)尺寸不變。以散熱器中心部位的底面作為坐標(biāo)中心，X和Y分別是相對(duì)于原點(diǎn)的Z軸上的坐標(biāo)。(X-Y)是橫向?qū)崂咂暮穸取?/p>

由表二可以看出，當(dāng)導(dǎo)熱肋片處于（1-3）和（5-7）位置的時(shí)候，LED芯片的溫度有所下降。而在（1-3）的時(shí)候，芯片的最低溫度和最高溫度都有明顯的降低。散熱設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)選擇（1-3）范圍內(nèi)。

圖6

圖7

6.散熱器參數(shù)化設(shè)計(jì)二

正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法具有完成實(shí)驗(yàn)要求所需的試驗(yàn)次數(shù)少、數(shù)據(jù)點(diǎn)分布均勻、可用相應(yīng)的極差分析方法對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析等優(yōu)點(diǎn)[8]。

本實(shí)驗(yàn)采用正交試驗(yàn)對(duì)散熱器的中心肋片的厚度、橫向?qū)崂咂暮穸取M向?qū)崂咂膶挾纫约八姆N不同疏密度的肋片散熱器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，把以上影響散熱器散熱性能的4個(gè)參數(shù)作為因素，每個(gè)因素取4個(gè)水平，以模型的最高溫度為指標(biāo)，采用正交標(biāo)L15(44)模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表三所示。(表三單位都是mm)。

根據(jù)正交試驗(yàn)表中的數(shù)據(jù)，將以上四個(gè)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的極差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果如表四至七所示：

（1）四個(gè)影響因素對(duì)LED散熱器最高溫度的影響由大到小依次為：橫向?qū)崞暮穸取M向?qū)崞膶挾?、散熱器中心肋片的厚度、散熱器散熱肋片的疏密度?/p>

（2）散熱器中心肋片的厚度在不影響周?chē)匀粚?duì)流系數(shù)的前提下，中心肋片的厚度越厚，散熱效果越好。但是也不能無(wú)限制的增加厚度，這樣會(huì)降低散熱器肋片的數(shù)目，從而影響散熱效果。

（3）對(duì)于解決方案中增加的橫向?qū)崂咂?，隨著導(dǎo)熱肋片厚度的增加，芯片溫度開(kāi)始增加，不利于散熱。主要原因在于橫向?qū)崂咂暮穸葧?huì)對(duì)散熱器的熱阻造成一定的影響，從而降低散熱效果。

（4）散熱器并不是中間越密集，兩邊越稀疏散熱效果越好，因?yàn)樵僭黾又虚g的肋片密集度的時(shí)候，兩邊的肋片數(shù)目相對(duì)減少，也會(huì)對(duì)散熱產(chǎn)生影響。

（5）通過(guò)以上綜合分析，在散熱器中增加橫向?qū)崂咂强尚械模欣谏帷?/p>

實(shí)驗(yàn)仿真表明：

對(duì)于同樣翅片數(shù)目的時(shí)候，中間密兩邊疏可以有效降低芯片結(jié)溫。

根據(jù)這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化，從以下兩個(gè)方面入手：

（1）通過(guò)增加中心區(qū)域的肋片的厚度，來(lái)提高溫度的豎直傳導(dǎo)能力。

（2）通過(guò)增加橫向的傳導(dǎo)翅片，設(shè)定相關(guān)的尺寸，來(lái)有效提高溫度的橫向傳導(dǎo)能力。

7.散熱器非等距肋片的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在16次的實(shí)驗(yàn)當(dāng)中，可以得知第13次試驗(yàn)的溫度最低，即：散熱器中間肋片的厚度是2mm，橫向?qū)崞暮穸仁?mm，橫向?qū)崞膶挾仁?5mm，選擇散熱器類(lèi)型Ⅱ。結(jié)果如圖6所示：

結(jié)合工程的需求[9]、散熱器的質(zhì)量以及芯片間的熱對(duì)流等因素，優(yōu)化以后的散熱效果如圖7所示：

8.結(jié)束語(yǔ)

本文歸納總結(jié)了當(dāng)前熱門(mén)的肋片散熱器的散熱方案，并使用了ANSYS有限元分析法對(duì)處于不同參數(shù)下的散熱器進(jìn)行了仿真和熱分析，發(fā)現(xiàn)肋片的疏密度以及自身大小對(duì)LED散熱影響是相輔相成的，所以本文中采用了正交實(shí)驗(yàn)法來(lái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。我的目標(biāo)是散熱設(shè)計(jì)的散熱器質(zhì)量比現(xiàn)有的等距排列質(zhì)量要小；設(shè)計(jì)的散熱器是芯片最高溫度降低幅度在10℃左右。(散熱器中間肋片的厚度是2mm，橫向?qū)崞暮穸仁?mm，橫向?qū)崞膶挾仁?mm，選擇散熱器類(lèi)型Ⅱ。)

[1]J.Richard Culham and Yuri S.Muzychka,Optimization of Plate Fin Heat Sinks Using Entropy Generation Minimization,IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies,Vol.24,No.2,June 2001.pp.159-165.

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