馬成虎 賈雪

安徽省阜陽(yáng)市阜陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院

大功率LED散熱機(jī)理及產(chǎn)品仿真

馬成虎 賈雪

安徽省阜陽(yáng)市阜陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院

大功率LED;散熱機(jī)理;仿真

1.引言

在節(jié)能減碳與綠能環(huán)保發(fā)展的驅(qū)使，LED（Light Emitting Diode）作為一種固態(tài)照明光源，LED照明具有種種優(yōu)勢(shì)：發(fā)光效率不斷的持續(xù)提升、成本降低、體積小、容易與系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行整合、色彩飽和度高、演色性佳、顏色逼真等。

LED是個(gè)光電器件，其工作過(guò)程中只有15%～25%的電能轉(zhuǎn)換成光能，其余的電能幾乎都轉(zhuǎn)換成熱能，使LED的溫度升高。在大功率LED中，散熱是個(gè)大問(wèn)題。例如，美國(guó)CREE公司的10W級(jí)別的XML2白光LED現(xiàn)在在358K情況下達(dá)到150.38 lm/W，其光電轉(zhuǎn)換效率約為30%，則有7W的電能轉(zhuǎn)換成熱能，若不加散熱措施，則大功率LED的器芯溫度會(huì)急速上升，當(dāng)其結(jié)溫（TJ）上升超過(guò)最大允許溫度時(shí)（一般是150℃），大功率LED會(huì)因過(guò)熱而損壞。因此在大功率LED燈具設(shè)計(jì)中，最主要的設(shè)計(jì)工作就是散熱設(shè)計(jì)。

2.LED的特性

2.1 LED的結(jié)溫

LED的基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)半導(dǎo)體的P-N結(jié)。實(shí)驗(yàn)指出，當(dāng)電流流過(guò)LED元件時(shí)，P-N結(jié)的溫度將上升，嚴(yán)格意義上說(shuō)，就把P-N結(jié)區(qū)的溫度定義為L(zhǎng)ED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。結(jié)溫（Tj）影響LED壽命和長(zhǎng)期流明維持一般來(lái)說(shuō)，大部份LED僅僅能承受到110～125℃，假如封裝的熱阻過(guò)大，則結(jié)面溫度將升高，這對(duì)組件的性能是不好的。

2.2 測(cè)試材料熱傳導(dǎo)率，為了盡快將熱量傳導(dǎo)出去，選用導(dǎo)熱系數(shù)高的材質(zhì)

表格1提供幾種常用機(jī)械材料的導(dǎo)熱系數(shù)，純銅最佳，但成本過(guò)高，不銹鋼耐腐蝕性好，但導(dǎo)熱系數(shù)和成本并不理想。鋁合金綜合成本與性能最佳。

表1：幾種常用的燈具材料的導(dǎo)熱系數(shù)

3.分析模型及仿真軟件

圖5三維模型為照明燈具配置三顆Cree公司的XPE Q5，，恒流電流1000mA，熱阻低：只有9℃/W，最高結(jié)溫：150℃，額定電壓9.6V，此模擬實(shí)驗(yàn)額定電流350mA。燈體選用6063T5材料，散熱方式為自然對(duì)流，燈座內(nèi)安裝恒流電路，為了自然模擬燈具外殼實(shí)際溫度，參考點(diǎn)取燈口上邊緣。樣品的鋁基板熱阻約1℃/W，在室溫26℃時(shí)的自然對(duì)流環(huán)境下，燈具溫度測(cè)試結(jié)果如表2所示。FloEFD 2.1中文版軟件模擬，燈具外殼材質(zhì)6061鋁合金，鋁材用模具擠壓成型，經(jīng)普通陽(yáng)極氧化來(lái)提高表面硬度及輻射率，兩種材料對(duì)應(yīng)的熱分布結(jié)果如圖：

表2 LED杯燈外殼溫度測(cè)試

從圖4來(lái)看，散熱器的仿真溫度與實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫度最大誤差約1℃，符合實(shí)際需求。

4.LED基板和散熱座的有效散熱面積

為了研究散熱面積的影響，利用LED球泡散熱器，僅配置1顆LED光源(鋁基板中心)進(jìn)行分析，其余條件不變，這就相當(dāng)于將散熱面積增加到原來(lái)的三倍。溫度分布如圖5所示。

從溫度分布圖可以看出，散熱面積增大到三倍，參考點(diǎn)溫度從58.13℃驟降到39.09℃，增加散熱面積可以有效的降低系統(tǒng)溫度。

結(jié)論

1：LED元件的熱散失能力是決定結(jié)溫高低的又一個(gè)關(guān)鍵條件。散熱能力強(qiáng)時(shí)，結(jié)溫下降，反之，散熱能力差時(shí)結(jié)溫將上升。

2：散熱器設(shè)計(jì)時(shí)，考慮成本及工藝美觀性，散熱面積不可能做得很大，但可以通過(guò)適當(dāng)增加散熱面積來(lái)降低系統(tǒng)溫度

3：LED在燈具內(nèi)布置，相同功率下，LED數(shù)量越多布置平均分散，散熱面積越大，結(jié)溫低，多顆布置時(shí)亮度相對(duì)單顆同功率的LED亮度會(huì)增加。

4.盡量減少P-N結(jié)區(qū)到環(huán)境溫度的熱量流通環(huán)節(jié)，LED可以直接固定在燈座上，減少一個(gè)環(huán)節(jié)的熱阻。

[1]蘇達(dá),王德苗.大功率LED散熱封裝技術(shù)研究[J].中國(guó)照明電器,2007,7:1—3.

[2]立彬,陳宇,劉志強(qiáng)等.大功率倒裝結(jié)構(gòu)LED芯片熱模擬及熱分析[J].半導(dǎo)體光電,2007,28(6):769—773.

[3]樓英,周麗,張家雨等.大功率LED的光衰機(jī)制研究[J].半導(dǎo)體技術(shù),2009,34(5):474—477.

賈雪：女，1986-11 安徽阜陽(yáng)，阜陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院助教，研究領(lǐng)域：機(jī)械設(shè)計(jì)，電子專業(yè)。

課題項(xiàng)目

本文系阜陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院2012年自然科學(xué)校級(jí)項(xiàng)目 編號(hào)：2012JKYXM04的研究成果之一

馬成虎:男,1981-06,助教,研究方向三維建模，傳熱學(xué),碩士,阜陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院。