大功率LED散热设计-北京航空航天大学大学毕业答辩

1、工程系统工程系2008年6月北京航空航天大学北京航空航天大学毕业设计毕业设计照明用大功率照明用大功率LED阵列散热设计与仿真分析阵列散热设计与仿真分析汇报提纲课题的来源和意义论文研究的内容和实施方案论文的实施过程结论与展望课题的来源 大功率白光LED以其体积小巧、高亮度、寿命长、工作电压低、使用安全等众多优点冲击着传统光源的市场地位。然而，大功率LED在散热和价格等方面的技术难题没有很好的解决，严重制约着大功率白光LED在民用照明领域的发展。 某公司设计的一个18 W的大功率白光LED灯具为本论文的研究对象，本论文针对该灯具在研究大功率LED封装热特性基础上对LED照明阵列进行散热器的设计，并

2、对LED照明阵列建立等效热阻网络模型和软件仿真分析，最后对LED照明灯具进行热实验，来验证仿真结果的正确性。课题的意义 大功率白光LED以其体积小巧、高亮度、寿命长、工作电压低、使用安全、响应速度快、耐冲击防震动、无紫外线和红外线辐射等诸多优点，应用范围在逐渐的扩大，在城市景观、LCD背光板、交通标志、汽车尾灯照明和广告招牌等方面有着广泛的应用，具有良好的应用前景。 大功率LED芯片的有源区面积小、工作电流大，输入功率中又只有少部分能量转化为光能，其余的则转化为热能造成其结温升高。结温是衡量大功率LED封装散热性能的一个重要技术指标：结温升高，会直接减少芯片射出的光子数量，使发光效率降低。同时

3、由于温度升高而产生的各种热效应也会严重影响到LED器件的使用寿命和可靠性，当温度超过一定值时，器件失效率呈指数规律变化。因此，对大功率LED进行散热研究具有重要的理论意义和工程实用价值。研究的主要内容1）LED封装的热特性研究 研究大功率LED封装的结构和内部热沉对LED散热性能的影响，对目前流行的封装技术、散热方法、常用散热器类型及选择方法进行综合研究分析。2）建立LED照明阵列的等效热阻网络模型 仅靠改进LED的封装结构和材料的选择并不能满足大功率LED的散热需要，LED的封装结构确定后还应在LED外部加装散热器。在对大功率LED封装热特性研究的基础上，对LED照明阵列建立等效热阻网络模型

4、，分析得出LED的壳温与结温之间的关系。研究的主要内容3） LED照明阵列散热器的设计与仿真： 在对封装热特性和热阻网络研究的基础上，对某LED照明阵列设计相应的散热器，并对LED照明阵列进行建模和仿真分析，计算得到LED的结温，与设计目标相比较，评估散热器的散热性能。4）试验验证：为验证ICEPAK软件对大功率LED阵列进行仿真分析结果的正确性，对LED照明灯具进行热实验。论文的实施过程1. LED封装的热特性1.1 热效应对大功率LED的影响 对于单个LED而言，如果热量集中在尺寸很小的芯片内而不能有效散出，会导致芯片温度升高，引起热应力的非均匀分布、芯片发光效率和荧光粉激射效率下降。当多

5、个LED密集排列组成白光照明系统时，热量的耗散问题更严重。因此解决散热问题己成为功率型LED应用的先决条件。论文的实施过程1.2 常用的LED封装结构LED封装结构硅基倒装芯片结构 基于金属线路板结构 微泵浦结构 论文的实施过程 1.3 LED的封装材料 粘贴材料 环氧树脂 基板材料 封装材料论文的实施过程2.常用的散热方法常用的散热方法自然对流 强制对流 液体冷却 论文的实施过程2.1 自然对流散热 自然对流散热方法是指不使用任何外部辅助能量的情况下，实现局部发热器件向周围环境散热达到温度控制的目的， 这其中通常都包含了导热、对流和辐射三种主要传热方式， 其中对流以自然对流方式为主。 自然散

6、热往往适用对温度控制要求不高、器件发热的热流密度不大的低功耗器件和部件， 以及密封或密集组装的器件不宜采用其它冷却技术的情况下。 论文的实施过程 2.2强制对流散热方法 强制对流散热方法主要是借助于风扇等强迫器件周边空气流动， 从而将器件散发出的热量带走的一种方法。这种方法是一种操作简便、收效明显的散热方法。如果部件内元器件之间的空间适合空气流动或适于安装局部散热器， 就可尽量使用这种冷却方法。 提高这种强迫对流传热能力的方法主要有:增大散热面积以及在散热表面产生比较大的强迫对流传热系数。论文的实施过程 2.3 液体冷却 对电子元器件采用液体冷却的方法进行散热，主要是针对芯片或芯片组件提出的概

7、念。 液体冷却的特点是: 使用电介质冷却液作为工作介质； 通过控制液滴直径和频率来控制冷却功率； 内部可以集成控制的软件， 可以被用来冷却芯片。论文的实施过程3. 常用的散热器类型 1.横剖压延散热器 2.折叠肋片式散热器3.有源散热器 4.型材散热器 论文的实施过程3.1 影响散热器散热效果的因素几何因素几何因素的影响的影响 1环境温度的影响环境温度的影响 4功耗的影响功耗的影响 3界面热阻的影响界面热阻的影响 2论文的实施过程 3.1.1几何因素影响 散热器的有效面积与散热器几何参数密切相关。一般散热器由肋片和基座构成，主要的几何参数包括肋片长、肋片厚，肋片数、基座厚、基座宽。 3.1.2

8、 界面热阻的影响 功率器件加了散热器之后系统总热阻包括功率器件内热阻、界面热阻以及散热器热阻。可以采取的措施有：加大接触面之间的压力；提高接触面的加工精度等方法来降低界面热阻的影响。 论文的实施过程 3.1.3 功耗的影响 器件的功耗越大，发热量也越多，功耗太大导致散热器温升超过允许范围，无法满足散热要求。 3.1.4 环境温度的影响 随着环境温度的增加，散热器的热负荷增加，器件结温也升高。如果散热器热负荷超过允许范围，则达不到应有的散热效果导致器件损坏。环境温度对器件结温的影响很大，因此在不同的环境温度，要经过试验，合理选择相应散热器才能使功率器件更有效散热。 论文的实施过程4.照明用大功率

9、LED阵列的散热设计 4.1 LED照明阵列简介 LED照明阵列的结构如图5.1所示，其中9只1W的白光LED和9只用于情景照明的RGB芯片间隔贴装在长方形的铝制线路板上。论文的实施过程 LED采用蓝宝石衬底的GaN蓝光芯片激发黄色荧光粉，从而产生白光；RGB总功率为1W，内部封装了红、绿、蓝三色芯片，可控制单独发光实现情景照明，全部发光则组合成白光。在模块中电流通路与热流通道各自独立， 有利于进一步散热设计与实现，使用方便。发光芯片的光转化效率约为3032，芯片结温极限为125oC，工作温度极限为-40oC+85oC，LED热阻约8oC/W。材料 蓝宝石GaN铝导热系数/35130178材料

10、银胶黄铜导热系数/3.8389光转化效率30%)/(2KmW)/(2KmW论文的实施过程4.2 LED阵列散热器的设计 考虑因素结构选择几何尺寸选用材料论文的实施过程4.2.1 结构选择 从外形上看，散热器可分为两种类型，一种是平板型散热器，它结构简单，容易自制，但散热效果较差，且所占面积较大；另一种是经加工成型、构成系列化产品的散热器，如型材散热器、叉指型散热器、扇顶型散热器和塑封器件专用散热器等，此类散热器的散热效果好，易于安装，适合进行大批量生产，但成本较高。本论文选择型材铝制肋片式散热器，它适用于大面积器件的散热，肋片式散热器结构简单易于制造，比较适用于大功率LED阵列的散热。论文的实

11、施过程4.2.2 几何参数的选取1）散热器长度。肋片长度适当增加能减小器件结温，但是过分增加肋片长度不能确保热量传导至散热器肋片的末端，因此使传热受到影响，不能大大降低结温，反而使散热器重量增加太多。一般认为散热器的肋片长度和基座宽度之比接近1传热较好，同时为便于加工，选择散热器长为60cm。2）散热器肋片高度。随着肋片高度的增加，器件的热量更易通过肋片散至周围空间，但是如果肋片高度过高，会增加散热器的体积和重量。选择在基座上方肋片高为7.5mm，基座下方肋片高为15mm。3）散热器肋片的个数。一般随着肋片数目的增多器件结温会有所降低，但是超过某一数值后随着肋片的增多器件结温没有明显变化，而散

12、热器重量明显增加。同时肋片数目增加有时还要考虑器件安装的问题，有的器件安装在散热器两肋片之间，如果肋片数太多，器件不易安装在散热器上。一般选择肋片的个数为8片左右，本文选择肋片数为9片 。论文的实施过程4.2.3 散热器的材料 散热器一般都要进行煮黑氧化处理，降低散热器热阻，减小热源结温，使得器件更安全可靠工作。散热器材料选取铜或者铝对于散热器性能并没有太大影响，本文选择的是价格较低的纯铝材料。肋片位置肋片个数肋片厚度肋片高度肋片间距基座厚度基座上方91.1mm7.5mm4.3mm1.1mm基座下方21.1mm15mm34.5mm尺寸参数表散热器剖面图论文的实施过程5.热阻网络模型的建立与分析

13、 5.1 建立热阻网络 电子设备的功耗恒定的情况下，热流源等效于理想的电流源。导热、对流和辐射换热的区域可用热阻来处理，如同电阻定义为两点间电压与电流之比，热阻定义为两点间温差与热流之比。热沉等效于“接地”或“地线”，所有的热源和热回路均与其相连接，形成热电模拟网络。 123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:14-Jun-2002Sheet of File:F:programepcbheatsink.ddbDrawn By:PcRTcRTjRTfjTjTccTffaTa123456ABCD654321DCBATitleNumberRev

14、isionSizeBDate:25-Jun-2002Sheet of File:F:programepcbheatsink.ddbDrawn By:PcRTcRTjRTpRTfjTjTccTffaTa论文的实施过程 功率器件装上散热器后，其散热途径将会有所变化。器件内热阻Rj保持不变，器件的热量一方面通过外壳直接向周围传递，外热阻为RTp；另一方面器件将热量传给散热器，它们之间的热阻为接触热阻RTc，然后再由散热器把热量发散到周围空间，其热阻为散热器热阻RTf .论文的实施过程5.2 热阻网络模型分析 将功耗模拟为电流，温差模拟为电压，热阻模拟为电阻可以计算出热阻网络中各个热阻值。RTRTj+

15、RTc+RTf 式中 RTj RTc RTf DaJPTT DCJPTT DfCPTT DafPTT 结果检查网格划分边界条件选取建立模型ICEPAK软件仿真论文的实施过程6.软件仿真论文的实施过程6.1 建立模型 在ICEPAK软件中建立LED灯具的模型，主要由热源、金属线路板、高导热银胶和散热器组成。模型中把每只功率LED考虑成一个热源，共有18个发光芯片， 每个芯片的耗散功率为1W，该灯具长60mm、宽3.4mm、高2.4mm，灯具的外壳和散热翅片应用的是纯铝材料，线路板采用的是铝基金属线路板。论文的实施过程6.2 网格划分 对已建完的模型进行网络划分，首先进行粗划分，取x方向长度的1/

16、100即0.03m，取Y方向0.002m，取Z方向取0.003m，检查网格的质量然后进行局部加密。论文的实施过程6.3 温度场分析1.线路板温度场分布2.LED芯片的温度场分布论文的实施过程3.背板的温度场分布由 公 式论文的实施过程6.4 LED结温的计算 通过LED阵列的线路板、背板和LED芯片的温度场分布图可以看出，温度最高的区域集中在模块的中部，两端相对较低，从热源温度图得到最高芯片的壳温是80.4 。WCAKdRRTjT/8.111DcjTjPTTRcDTjjTPRTCTPRTCDTj864 .807 . 08换算可得AKdR又 因 为代入公式可 得论文的实施过程7. 实验验证 7.

17、1实验条件确定 把大功率LED灯具，放入温度试验箱，由于所设计的LED灯具工作环境极限温度为- 40 +85 ，试验中我们将试验箱的温度设定为比较严酷的40 ，连续工作1000小时，采用接触式热测量系统，测量芯片底部和线路板上的温度。论文的实施过程 试验条件 将LED灯具放入恒定温度实验箱，空气设定为自然对流，温度调至40C，时间设定1000h， 试 验 装 置试 验 装 置论文的实施过程7.2试验数据与仿真结果对比分析传感器位置实测温度（）分析温度()误差（%）1背板中间67.374.610.82背板左端56.558.33.23背板右端5758.42.54线路板左端62.856.510.035线路板右端62.957.29.066线路板中间70.279.613.4平均误差8.16式中，100实测温度分析温度实测温度误差结论 通过ICEPAK软件仿真分析