王　斌，劉紅軍，柴　華，萬(wàn)　瑋

（深圳風(fēng)環(huán)境技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，深圳市城市與土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳研究生院，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，廣東 深圳518055）

考慮制造缺陷的大功率LED燈翅片散熱性能研究

王斌，劉紅軍，柴華，萬(wàn)瑋

（深圳風(fēng)環(huán)境技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，深圳市城市與土木工程防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，深圳研究生院，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，廣東 深圳518055）

隨著白熾燈逐漸退出歷史舞臺(tái)，人們對(duì)于新光源的需求越來(lái)越迫切。大功率LED燈因其顯著的優(yōu)點(diǎn)而被人們所重視，但是其散熱問(wèn)題不容小覷。利用CFD計(jì)算軟件對(duì)LED散熱系統(tǒng)進(jìn)行非定常熱耦合分析，通過(guò)對(duì)比有制造缺陷的大功率LED燈在不同工況下的溫度分布及外部流場(chǎng)流線分布，進(jìn)而分析制造缺陷對(duì)大功率LED燈翅片散熱的影響。

LED散熱；制造缺陷；數(shù)值計(jì)算

LED散熱問(wèn)題對(duì)于大功率LED燈的使用壽命有著極其顯著的影響，而制造缺陷是影響其散熱性能的一個(gè)主要因素，因此對(duì)于考慮制造缺陷的大功率LED燈翅片散熱性能的研究有著重要的意義。

本文所討論的制造缺陷為封裝工藝的不足，從而對(duì)LED芯片產(chǎn)生影響。針對(duì)不同的封裝技術(shù)，LED散熱途徑不同［1］。張樓英等［2］指出大功率LED封裝中的散熱問(wèn)題對(duì)于器件的輸出功率和壽命有很大的影響，強(qiáng)調(diào)了LED模塊散熱設(shè)計(jì)的重要性，在選擇中高熱導(dǎo)率材料以及使用低熱阻、散熱良好的封裝結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面做了闡述。Lee Sung-jun等［3］通過(guò)研究提出利用金屬材料進(jìn)行封裝的優(yōu)良性。You J.P等［4］通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)封裝材料的熱阻在LED整體熱阻中占有很大的比例，提出封裝材料的選取對(duì)于大功率LED散熱的重要性。目前，國(guó)內(nèi)大量LED封裝企業(yè)采用Luxeon支架式封裝。其中，封裝關(guān)鍵的技術(shù)在于熒光粉的涂覆工藝。如果工藝控制不好，將造成大功率LED封裝產(chǎn)品在空間上的光學(xué)性能不一致，從而對(duì)LED散熱產(chǎn)生非常大的影響。除此之外，焊接生產(chǎn)工藝控制不當(dāng)或壓焊工序控制不嚴(yán)格等因素也會(huì)導(dǎo)致封裝工藝中產(chǎn)生缺陷，使得LED發(fā)光強(qiáng)度減弱，可靠性降低。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)［5-6］：焊接系統(tǒng)的失效占整個(gè)半導(dǎo)體失效模式的比例是25%～30%.本文通過(guò)CFD對(duì)LED散熱系統(tǒng)進(jìn)行非定常熱耦合分析，來(lái)探究制造缺陷，即封裝工藝對(duì)于大功率LED燈散熱性能的影響程度。

1　數(shù)值模擬

1.1制造缺陷

LED封裝過(guò)程如果存在缺陷，等效于壓焊絲與芯片電極間引入串聯(lián)電阻R，因此，對(duì)于封裝缺陷的LED芯片產(chǎn)生的熱量將會(huì)大于沒(méi)有封裝缺陷的LED芯片產(chǎn)生的熱量，根據(jù)蔡友海的LED封裝缺陷分析，壓焊工序中焊線與芯片電極間的接觸電阻為：

式中：ρ1為焊線電阻率，ρ2為芯片電阻率。重復(fù)焊接時(shí)，上次壓焊產(chǎn)生的熱量會(huì)使芯片電極表面氧化，在電極表面產(chǎn)生一定厚度膜層，由霍姆接觸理論，此時(shí)流過(guò)該非金屬膜層的電流是通過(guò)隧道效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。設(shè)單位面積隧道電阻率為ρr（ρr與膜層厚度有關(guān)），則膜層電阻為Rr＝ρr/S，Rc改寫(xiě)為：

上次焊點(diǎn)未清除干凈，造成芯片電極表面粗糙度增加，兩者接觸面積S減小，則Rc增大。芯片電極氧化或上次焊點(diǎn)未清除干凈，都將使電阻Rc增大，若兩者同時(shí)存在，則Rc增幅更大。Rc增大則相同電流下產(chǎn)生的熱量更多，本文通過(guò)對(duì)主流LED研究發(fā)現(xiàn)，由于制造缺陷增加的熱量約為原有熱量的1.1倍。

1.2CFD模型

為了準(zhǔn)確描述LED自然對(duì)流散熱過(guò)程中邊界層內(nèi)物理變量的分布特征，同時(shí)獲得較高的計(jì)算精度和效率，擬采用非等間距網(wǎng)格離散計(jì)算區(qū)域，即網(wǎng)格在靠近壁面處較密集，用較多的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)來(lái)捕捉物理變量的大梯度變化，在遠(yuǎn)離壁面的非重要區(qū)域較為稀疏。

本文針對(duì)的是自然對(duì)流，評(píng)價(jià)自然對(duì)流湍流特性的參數(shù)為便瑞利數(shù)Ra.其定義為：RaL=g β▽TL3ρ /μa（以長(zhǎng)度為基準(zhǔn)）；Ras=g β▽TS3ρ/μa（以間距為基準(zhǔn)）。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證Ra數(shù)量級(jí)在109上，所以本項(xiàng)目選擇帶浮力修正的k-ε模型和P-1模型計(jì)算對(duì)流換熱和熱輻射。通過(guò)該數(shù)學(xué)模型對(duì)LED陣列的自然對(duì)流散熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其自然對(duì)流流動(dòng)和散熱特性。

計(jì)算域包括固體區(qū)域和流體區(qū)域兩部分。對(duì)固體區(qū)域，由于不存在對(duì)流，僅求解能量方程和輻射方程，且能量方程中無(wú)對(duì)流項(xiàng)。由于速度進(jìn)出口邊界條件和自由流動(dòng)邊界條件不適用于可壓縮問(wèn)題，而壓力遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件只能用于理想氣體，因此在Fluent模擬設(shè)置中使用壓力進(jìn)口和壓力出口的邊界條件?？諝鉁囟葹?00 K，芯片發(fā)熱效率為64.8 W，換算為單位體積則為8×108W/m3.模擬的計(jì)算方法和求解參數(shù)選擇Fluent的默認(rèn)形式。在模擬計(jì)算時(shí)，對(duì)基本方程的離散采用基于節(jié)點(diǎn)的有限體積法。壓力速度的耦合采用SIMPLE算法。對(duì)流換熱選擇P-1輻射模型。

在生成計(jì)算域時(shí)，域內(nèi)充滿流體介質(zhì)。加入計(jì)算域后，運(yùn)用ICEM（CAE前處理工具，可以做流體、結(jié)構(gòu)等的前處理）可以實(shí)現(xiàn)流固耦合面的網(wǎng)格化分。LED取原來(lái)的1/4大小，相應(yīng)的計(jì)算域大小為500 mm×500 mm×1 000 mm，采用多尺度CFD模擬方法，對(duì)LED附近熱量變化較大區(qū)域進(jìn)行精細(xì)化劃分。同時(shí)為了降低網(wǎng)格劃分對(duì)結(jié)果的影響，在大小區(qū)域中，網(wǎng)格劃分密度都是一樣的。由于散熱器及計(jì)算域的幾何形狀非常規(guī)則，且為了更好地控制網(wǎng)格質(zhì)量及數(shù)量，本文采用分塊劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的方法，將計(jì)算域分成很多規(guī)則的立方體，然后再以從邊到面，再到體的順序進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格總數(shù)約為106個(gè)。

1.3工況設(shè)置

本文采用正交試驗(yàn)法，影響LED散熱因素為5個(gè)，每個(gè)因素取4個(gè)水平，即取翅片厚度（1.0 mm、1.7 mm、2.4 mm、3.1 mm），翅片間距（5 mm、10 mm、15 mm、20 mm），翅片高度（20 mm、30 mm、40 mm、50 mm），開(kāi)縫（0條、1條、2條、3條）以及底板厚度（4 mm、5 mm、6 mm、7 mm），以LED最高溫度為試驗(yàn)指標(biāo)，選取正交表L16（45）.

2　制造缺陷結(jié)果模擬分析

根據(jù)正交試驗(yàn)表中的16種工況，對(duì)具有制造缺陷的LED散熱系統(tǒng)進(jìn)行非定常熱耦合分析。十六種工況仿真模擬結(jié)果分別與正常LED散熱結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖1和圖2所示。

圖1　有無(wú)缺陷溫度對(duì)比圖

圖2　有無(wú)缺陷溫差圖

從圖1和圖2看出，有制造缺陷的LED散熱性能普遍比沒(méi)有制造缺陷的LED散熱性差，但是有制造缺陷和沒(méi)有制造缺陷的LED最高溫度之間的溫差卻不相等，有高有低。這說(shuō)明每個(gè)工況抵抗制造缺陷的能力不一樣。為研究制造缺陷對(duì)流場(chǎng)的影響，分別對(duì)比工況8和工況16的流線圖，從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律。

觀察兩個(gè)工況的流線圖可以得出，制造缺陷對(duì)不同工況下的流場(chǎng)影響程度不同，工況8的影響程度較大，溫度上升幅度較大，工況16影響幅度較小，溫度上升幅度較小。從中可以看出流場(chǎng)受影響較小的工況，溫度變化也就越小。

3　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)制造缺陷對(duì)于大功率LED翅片的散熱問(wèn)題，將其等效于壓焊絲與芯片電極間引入串聯(lián)電阻R，并建立CFD模型，對(duì)其進(jìn)行非定常熱耦合分析，在熱阻增大為原來(lái)的1.1倍的情況下，根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)法設(shè)計(jì)了不同散熱翅片厚度、間距、高度、開(kāi)縫條數(shù)及底板厚度的十六個(gè)工況，LED芯片的最高溫度相比正常環(huán)境中工作的LED芯片溫度提高了1.99℃至6.91 ℃.由此可見(jiàn)制造缺陷會(huì)使芯片電阻增加，從而導(dǎo)致芯片產(chǎn)生的熱量增多，對(duì)于大功率LED燈的散熱性能有相當(dāng)?shù)挠绊?。所以在制造過(guò)程中需要引起足夠的重視，并利用優(yōu)良的封裝材料以及封裝技術(shù)來(lái)增強(qiáng)其散熱性能，從而擴(kuò)大大功率LED燈的普及范圍。

［1］沈忠良，盧冰，李思文，等.大功率LED強(qiáng)化散熱技術(shù)進(jìn)展［J］.輕工機(jī)械，2013，（2）：107.

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［3］LEE Sung-jun，PARK Ji-hyun，LIM Chang-hyun，et al. MEMS based metal plated silicon package for high power LED［J］.Key Engineering Material，2006，（1）:326-328.

［4］YOU J P，HE Y，SHI F G，Thermal management of high power LEDs:impact of die attach materials［C］IMPACT. 2007 International Microsystems，Packaging，Assembly and Circuits Technology Conference，Taipei:IMPACT，2007:239-242.

［5］李樂(lè)，朱傳云，沈君，等.利用正向電壓下的導(dǎo)納檢測(cè)半導(dǎo)體二極管的新方法［J］.河北師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，27（3）:251-255.

［6］路峰.LED芯片自動(dòng)測(cè)試和分選系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2005.

Study on the Heat Dissipation Performance of High Power LED Lamp With Manufacturing Defects

WANG Bin，LIU Hong-jun，CHAI Hua，WAN Wei
（Shenzhen Engineering Lab for Wind Environment and Technology，Shenzhen Key Lab of Urban&Civil Engineering Disaster Prevention&Reduction，Shenzhen Graduate School，Harbin Institute of Technology，Shenzhen Guangdong 518055，China）

With incandescent lamps gradually withdraw from the stage of history，the demand of people for new sources of light becomes more and more urgent.High power LED lamp is wildly used for its significant advantages，however，the heat dissipation problem can not be underestimated.This page made non thermal coupling analysis with the help of CFD calculation software of LED cooling system，through the contrast of a manufacturing defect of high power LED lights in different conditions of temperature distribution and external flow line distribution，and then analysis the impact of manufacturing defects of high power LED lamp radiating fins.

LED heat sink；manufacturing defects；numerical calculation

TN312.8

A

1672-545X（2016）07-0122-03

2016-04-06

本課題得到深圳市知識(shí)創(chuàng)新計(jì)劃研究項(xiàng)目：“基于微觀流動(dòng)分析的功率型LED翅片散熱研究”（項(xiàng)目編號(hào)：JCYJ20130329145813840）資助。

王斌（1993-），男，浙江杭州人，在讀研究生，研究方向：結(jié)構(gòu)工程；柴華（1992-），女，內(nèi)蒙古呼和浩特人，在讀研究生，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。