一種大功率LED模組的熱管理設(shè)計

嚴榮添，羅婉霞，梁德卓

（廣州廣日股份有限公司，廣東廣州 510623）

0 引言

在LED燈的眾多應(yīng)用中，作為普通照明光源是最具前景的應(yīng)用，是21世紀最具發(fā)展前景的高技術(shù)領(lǐng)域之一，是人類照明史上繼白熾燈、熒光燈之后的又一飛躍，其經(jīng)濟和社會意義十分重要[1]。大功率LED是半導體照明的關(guān)鍵器件，屬于典型的綠色環(huán)保照明產(chǎn)品[2]。而最終能否實現(xiàn)半導體照明，還有賴于大功率LED光效和可靠性問題的解決。

大功率LED燈的潛在失效機理大致可分為五種：芯片失效、熱應(yīng)力失效、電應(yīng)力失效、封裝失效和裝配失效[3]，其中散熱問題是大功率LED的一個突出問題。研究表明[4]，當芯片溫度超過一定值時，器件的失效率將呈指數(shù)規(guī)律攀升。根據(jù)某公司產(chǎn)品測試數(shù)據(jù)，大功率白光LED的結(jié)溫Tj在亮度衰減70%時與壽命的關(guān)系可看出：Tj=50℃時，壽命為90 000小時，Tj=80℃時，壽命降到34 000小時，Tj=115℃時，其壽命只有13 300小時了。從以上的測試數(shù)據(jù)顯示，為達到約10年的壽命，LED的工作結(jié)溫溫度必須小于85℃，高于此溫度范圍效率將大大降低，甚至于燒毀。因此，熱管理技術(shù)是大功率LED燈具設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 熱管理技術(shù)

1.1 通過改進封裝結(jié)構(gòu)提高散熱能力

隨著LED封裝技術(shù)的不斷改進，LED封裝的發(fā)展主要經(jīng)歷了引腳式封裝、表面貼膜封裝與功率型封裝、COB模組封裝4個階段[5]。引腳式封裝是LED在2002年以前采用的封裝主要技術(shù)，其缺點是熱阻很大，壽命較短。隨后表面貼膜封裝（SMD）逐漸被市場接受，它利用焊錫熔融再凝固的方式安裝在器件載板上，形成SMD-LED產(chǎn)品。這樣的LED產(chǎn)品在質(zhì)量上有很大提升，更便于集成化，且生產(chǎn)效率很高。功率型封裝是大功率LED的封裝方式，OSRAM、CREE等外國LED照明巨頭的大功率LED產(chǎn)品均是采用這種方式。隨著用戶對LED產(chǎn)品的可靠性要求越來越高，特別是在同等條件下，要求更優(yōu)的能效指標、更低的功耗，以及更具競爭力的產(chǎn)品價格，板上芯片(chip on board，COB)集成封裝技術(shù)顯示出更為強大的競爭力。COB是將多顆LED芯片直接封裝在金屬基或陶瓷基印刷電路板上，具有出光密度高、配光方便、散熱良好、性價比高等優(yōu)點。業(yè)界預(yù)測，COB封裝將成為未來發(fā)展的必然趨勢。本文設(shè)計的LED散熱模組所采用的就是COB封裝技術(shù)。

1.2 通過輔助散熱技術(shù)提高散熱能力

對于大功率LED可采用自然冷卻、強制風冷、熱管技術(shù)等幾種類型（見表1）。

表1 已采用的大功率LED散熱方式

由表1可知，現(xiàn)在采取的幾種大功率LED散熱方式，都存在一定的不足之處。熱管導熱能力超過任何已知金屬的導熱能力，熱管散熱器熱阻可以達到0.01℃/W，在自然對流冷卻條件下，熱管散熱器比銅鋁實體散熱器的性能可提高十倍以上，達到結(jié)構(gòu)簡單，低成本、高散熱效果，所以將熱管應(yīng)用于大功率LED散熱具有較好的研發(fā)價值。如圖1示為熱管工作原理圖。

圖1 熱管工作原理

常見的熱管工作介質(zhì)有：銅水、氨、丙酮及甲醇等。其中銅水熱管可以在20℃-150℃時正常工作，可以用在LED的散熱系統(tǒng)中[6-7]。

本文考慮到自然冷卻具備成本低、穩(wěn)定好的優(yōu)點，結(jié)合熱管的超強導熱性能，充分發(fā)揮散熱翅片本身的散熱能力，達到控制LED結(jié)溫在合適范圍內(nèi)的作用。

2 模型建立

三維直角坐標系中的瞬態(tài)溫度場場變量T（x，y，z，t）滿足：

（1）式中：?T/?x，?T/?y，?T/?z為沿 x，y，z方向的溫度梯度；kx，ky，kz為熱導率；q0為單位體積的熱生成；ρc是密度與比熱容的乘積；dT/dt為溫度隨時間的變化率。

對于穩(wěn)態(tài)熱傳導，dT/dt=0，因此，計算域內(nèi)的控制方程為：

對于自然對流，計算域內(nèi)的綜合邊界控制方程為：

式（3）中，nx，ny，nz為三個坐標軸的方向余弦，Ts是固體壁面溫度，Ta是空氣溫度，h是自然對流換熱系數(shù)。

3 LED散熱模組設(shè)計

LED模組采用的是COB光源，由于COB技術(shù)是將外延芯片與印刷電路板集成在一起，因此不需要添加PCB板，可直接固定在散熱器上。另外考慮到COB光源是高度集成的，發(fā)光面積小，熱流密度高，因此在散熱器中應(yīng)用了熱管技術(shù)，通過熱管起到的均溫作用，使各塊鋁翅片溫度基本一致，達到最佳的散熱效果。

設(shè)計的LED模組功率為30 W（如圖2所示），可用于LED路燈、投光燈、隧道燈等，具有極為廣泛的應(yīng)用場合。其各組件的材料及導熱系數(shù)如表2所示。

4 有限元分析

圖2 LED模組模型圖

表2 模組各組件材料、尺寸和對應(yīng)導熱系數(shù)表

通過對以上設(shè)計的LED模組建立計算機模型，進行有限元熱分析，能夠有效預(yù)測LED模組在實際工作時結(jié)點溫度，對設(shè)計具有重要的參考意義[8-9]。本文采用的是穩(wěn)態(tài)熱分析，假設(shè)條件如下：（1）各組件間的連接為完全連接；（2）環(huán)境溫度為25℃；（3）考慮熱輻射效應(yīng)，陽極氧化的鋁翅片表面輻射系數(shù)為0.27；（4）對COB設(shè)定為體積熱源，發(fā)熱量為7 W。

計算網(wǎng)格采用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)，提高了計算效率，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分布圖（合共29.2萬網(wǎng)格）

圖4為熱分析結(jié)果，顯示了LED模組的溫度分布。從圖4中可看到COB芯片發(fā)出的熱量，迅速傳導到散熱器鋁基，然后在熱管的作用下，熱量均勻地傳導到每塊翅片，提高了整個翅片組的自然對流散熱效率，COB的最高溫度（可視為焊盤溫度）為58.0℃。本模組設(shè)計使用的COB為美國科銳的CXA系列產(chǎn)品，焊盤到結(jié)點的熱阻為2.5℃/W，最大能承受的結(jié)點溫度為150℃，由于每顆COB的功率為10 W，因此可推算得最大結(jié)點溫度為83.0℃，遠遠小于150℃，因此本文設(shè)計的LED模組保證了LED芯片的均溫性，避免了局部熱點，從而提高了大功率LED的可靠性，保證了它的壽命。

圖4 LED模組工作溫度分布圖

5 結(jié)語

目前，由于LED模組具有結(jié)構(gòu)緊湊、功能高度集成、可方便替換、成本更低廉的優(yōu)點，開發(fā)和應(yīng)用大功率白光LED模組已成為了LED行業(yè)的研究熱點及未來的一大發(fā)展方向。

而隨著功率的不斷增大，對LED器件的散熱能力提出了越來越高的要求。因此在LED熱管理設(shè)計中應(yīng)當保證有足夠的余量，使遭遇嚴酷的工作環(huán)境，也能保證LED模組長期工作的可靠性。目前，通過各種輔助散熱技術(shù)或散熱材料的綜合應(yīng)用，設(shè)法將LED內(nèi)部熱量快速散發(fā)到外界環(huán)境中，以降低LED芯片的結(jié)溫溫度，是進行熱管理的有效方法。根據(jù)使用環(huán)境來精心設(shè)計散熱片的外形結(jié)構(gòu)，通過新型高效導熱技術(shù)以最大限度地利用熱對流方式和利用熱輻射方式來進行散熱，能達到良好的熱管理效果。

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