大功率LED散热设计-北京航空航天大学大学毕业答辩.ppt

1、工程系统工程系2008年6月,北京航空航天大学毕业设计,照明用大功率LED阵列散热设计与仿真分析,学 生：王传亮 指导老师：高 成,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

2、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

3、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，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

4、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

5、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,论文的实施过程,1.3 LED的封装材料,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

6、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

7、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,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 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

8、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

9、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。,论文的实施过程,4.2 LED阵列散热器的设计,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

10、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

11、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

12、。,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,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。,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

13、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+RTc+RTf 式中 RTj RTc RTf,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

14、进行网络划分，首先进行粗划分，取x方向长度的1/100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 。,换算可得,又 因 为,代入公式,可 得,论文的实施过程,7. 实验验证 7.1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,式中，,结论,通过ICEPAK软件仿真分析，获得LED器件金属线路板、LED的芯片以及背板的温度场的分布图，可以得出LED的最高壳温为80