第9卷第5期電子與封裝總第73期ELECTRONICS PACKAGING2009年5月LED路燈熱分析及散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)張琦,陳旭(天津大學(xué)化工學(xué)院,天津300072)摘要:LED作為第四代照明光源已被廣泛應(yīng)用于顯示和照明系統(tǒng)設(shè)備,但由于其光電轉(zhuǎn)化率較低,大部分電能實(shí)際轉(zhuǎn)化成了熱量,所以如何提高其散熱能力是大功率LED實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。文章以某公司LED路燈為模型,釆用 ANSYS有限元軟件對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化建模及熱分析,得出了其穩(wěn)態(tài)的溫度場(chǎng)分布,在此基礎(chǔ)上通過設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn),分析了鋁制熱沉不岡結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其溫度場(chǎng)的影響情況。由最終的結(jié)果可知,在合適的范圍內(nèi)使散熱器翅片的厚度和間距較小一些,可得到較為理想的優(yōu)化結(jié)構(gòu),既能控制片的最高溫度,又有效地減小了散熱器的質(zhì)量文章LED路燈算例得到優(yōu)化的質(zhì)量為原質(zhì)量的33.40%關(guān)鍵詞:大功率LED;熱沉;熱分析中圖分類號(hào):TN30594文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1681-1070(2009)05-004405Thermal Analysis and Structural Design of Heat Sink of LED Street LampZHANG QL, CHEN Xu(School of Chemical Engineering and Technology, Tianj in University, Tianjin 300072, China)Abstract: Light-emitting Diode(LED), the fourth generation light, has already been widely used in illumination devices,but the transformation efficiency ofelectricity to light is still low, so how to improve the capability of the heat sink become oneof the key technical issues for the industrialization of high-power LED Based on a real street lamp of LED companya parameterized model and thermal analysis with ANSYS software for high-power LED was obtained. The steady-state temperature fields of LED with difference of structure dimensions of the heat sink were compared usingal edesign, and an optimized model which can not only limit the highest temperature on LED,but also decrease the mass of the heat sink was obtained by reducing the thickness and separation of fins of the heatsink. a case analysis of LED street lamp shows that optimized weight reduces to 33. 40% of original weight.Key words: high-power LED; heat sink; thermal analysis要求多個(gè)LED組合而成,從而造成LED密集度較大。1引言但由于LED的光電轉(zhuǎn)換效率不高,大約只有15%-20%左右電能轉(zhuǎn)為光輸出,其余均轉(zhuǎn)換成為熱與普通光源比,大功率LED具有省電、壽命長(zhǎng)能,因此當(dāng)大量LED集中工作時(shí),將會(huì)產(chǎn)生大量的及反應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)以,在城市景觀、LCD背光板、熱量。若不能使這些熱量盡快有效地耗散,隨之而交通標(biāo)志、汽車尾燈照明和廣告招牌等方面有著廣來的熱效應(yīng)將會(huì)變得非常明顯,致使結(jié)溫上升,減泛的應(yīng)用。LED芯片的表面面積小,工作時(shí)電流密少e. YH中國(guó)煤化工下降,加快芯片老度大,單顆LED的輸出光束低,所以照明設(shè)備大多化CNMHG片輸入功率的不稿日期:2008-11-15第9卷第5期張琦,陳旭LED路燈熱分析及散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)斷提高,因散熱問題牽扯到光、電、色等一系列的在實(shí)際情況中熱量沿以下路徑傳遞芯片·導(dǎo)問題顯得更加突出4,因此對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱分析和電膠PCB板-導(dǎo)熱膠·散熱器。本文主要研究該LED優(yōu)化設(shè)計(jì)就變得異常關(guān)鍵的散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化,故建模時(shí)假設(shè)PCB板是各向在設(shè)計(jì)LED發(fā)光器件時(shí),為了較好地控制結(jié)溫,性的,并忽略導(dǎo)電膠和導(dǎo)熱膠,且由于該燈對(duì)稱,取良好的散熱設(shè)計(jì)主要是出于以下考慮:一方面改善1/2建模,模型如圖2所示器件內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu),提高發(fā)熱芯片向外殼傳導(dǎo)熱量對(duì)與空氣中接觸的散熱器外表面均設(shè)為自然對(duì)的能力;另外一方面提高外殼向外界散熱的能力。流,對(duì)流系數(shù)為10W(m2K),由于燈罩的密封本文利用 ANSYS有限元分析軟件,對(duì)某公司作用,模型其他表面均定義為絕熱。每個(gè)芯片的輸LED路燈的散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)及熱分析,入功率W,其中15%轉(zhuǎn)化為光能,85%轉(zhuǎn)化為熱能并通過設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn),分析了鋁制熱沉各結(jié)構(gòu)尺寸所以將(37X10°)Wm3的生熱率載荷施加于芯片變化對(duì)其溫度場(chǎng)的影響情況,最終得到較為理想的實(shí)體上,環(huán)境溫度均假設(shè)為25℃,定義各種材料屬優(yōu)化結(jié)構(gòu),達(dá)到了在散熱效果基本不變的前提下,性(見表3)。降低散熱器用料,控制成本的目的。對(duì)模型網(wǎng)格劃分后進(jìn)行有限元計(jì)算,得出模型的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng),由結(jié)果(見圖3)可知模型最高溫度2模型的建立與熱分析為43.84℃,出現(xiàn)在原模型中心兩列從底部數(shù)第三個(gè)芯片上,由于該芯片處在中心兩列,且底側(cè)為散熱本文的分析原型為某公司的SMRL-10l路燈(見器的固定結(jié)構(gòu),而無散熱翅片,故溫度較高。圖1),所用到的主要參數(shù)見表1和表2。MAAAA2mm x 2mm x 0.5mm圖1某公司SMRL101路燈表1LED封裝中材料熱性能參數(shù)圖2原LED實(shí)體模型圖SM-RL-101路燈主要參數(shù)表3LED中元件材料熱性能參數(shù)總功率整體外形尺寸410mmx300mmx80mm元件熱傳導(dǎo)率/W(mt)LED芯片數(shù)量LED芯片1256LED芯片尺寸Immxlmm x023mmPCB板厚度鋁制散熱器2382mm散熱器質(zhì)量表2原型鋁制散熱器的結(jié)構(gòu)尺寸3散熱結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模及優(yōu)化設(shè)計(jì)散熱器結(jié)構(gòu)尺寸/mm3參數(shù)化建模翅片厚度中國(guó)煤化工效計(jì),本文使用翅片間距ANS翅片高度CNMHG了參數(shù)化模型APD性、解釋性語言底板厚度6類似于 FORTRAN,可提供一般程序語言的功能,如第9卷第5期電子與封裝參數(shù)、宏、標(biāo)量、向量及矩陣運(yùn)算、分支、循環(huán)、重本次建模使用APDL,首先建立所要設(shè)計(jì)的散復(fù)以及訪問 ANSYS有限元數(shù)據(jù)庫等,可以用 if-then-熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)(翅片厚度、翅片間距、翅片高度、底else分支結(jié)構(gòu)和do循環(huán)及用戶指令生成執(zhí)行一系列板厚度)間的結(jié)構(gòu)關(guān)系,然后利用 if-then-else分支任務(wù)的宏,因此在同種問題多次建模的過程中具結(jié)構(gòu)分別建立散熱翅片數(shù)為奇數(shù)和偶數(shù)的模型。有廣泛的應(yīng)用。3.2正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法及模擬結(jié)果正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法具有完成試驗(yàn)要求所需的實(shí)驗(yàn)次數(shù)少、數(shù)據(jù)點(diǎn)分布均勻、可用相應(yīng)的極差分析方法等對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析等優(yōu)點(diǎn)。本文為了縮小模擬的運(yùn)算規(guī)模,分析散熱器各結(jié)構(gòu)尺寸變化對(duì)其溫度場(chǎng)的影響情況,所以設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)對(duì)該參數(shù)化模型進(jìn)行多次熱分析。把影響最終溫度場(chǎng)分布的四個(gè)散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)作為因素,每個(gè)因素取5個(gè)水平(見表5至表8),以散熱器質(zhì)量和芯片最高溫度為試驗(yàn)指標(biāo),選取正交表L35(56)圖3原模型熱分析結(jié)果圖過程及結(jié)果如表4所示表4正交試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果表序翅片厚度翅片間距翅片高度平板厚度mmm短片數(shù)長(zhǎng)片數(shù)散熱器質(zhì)量與模型比重芯片最高溫度43.864342101.043.77884745.0545.33.56482884501944524125.1392945876799778850.5347.5483.723.13572.9146.4.010844016170679623345.852.26652.70472126127441.9554.743964中國(guó)煤化工43.7216801CNMHG4144251214549.884131第9卷第5期琦,陳旭:LED路燈熱分析及散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.3結(jié)果數(shù)據(jù)分析翅片間距增加,散熱器質(zhì)量減小,芯片最高溫度增通過表4的結(jié)果數(shù)據(jù)可看出第22號(hào)模型的結(jié)構(gòu)加;隨翅片高度增加,散熱器質(zhì)量增加,芯片最高最為理想,該模型的芯片最高溫度為43.72℃,小于溫度減小;隨平板厚度增加,散熱器質(zhì)量增加,芯原模型的43.84℃,但其質(zhì)量?jī)H是原模型的3340%,片最高溫度減小。因此如果選用該模型,可達(dá)到在散熱效果基本不變的前提下降低散熱器用料、控制成本的目的表8平板厚度對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的極差分析表利用極差分析方法對(duì)表4中正交試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果水平序號(hào)翅片高度 mm w/kgT℃進(jìn)行分析(見表5~表8),將數(shù)據(jù)繪圖如圖4圖73823429243.42表5翅片厚度對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的極差分析表3.6203.26543.47水平序號(hào)翅片厚度/ mm w/kg44.492.45644.983.818極差13672.0603.309注:同表5。2.73743.14魯牧熱器量極差2.140算}萬芯片最高溫度注W為該因素水平對(duì)應(yīng)的散熱器質(zhì)量的平均值;T為該因素水平對(duì)應(yīng)的芯片最高溫度的平均值;極差等于各試驗(yàn)指標(biāo)平均值中的最大值減最小值。表6翅片間距對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的極差分析表水平序號(hào)翅片間距/ mm W/kg2.95446.1041300945.01翅片厚度/mm3.143.823.33342.76圖4翅片厚度一試驗(yàn)指標(biāo)關(guān)系曲線3.68741.26極差0.7334.840■散熱器質(zhì)算翼芯片最高溫度注:同表5。45表7翅片高度對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的極差分析表水平序號(hào)翅片高度 mm W/kg41.78能d3.361426144.672.885翅片間距mm極差0.780圖5翅片間距試驗(yàn)指標(biāo)關(guān)系曲線注:同表5中國(guó)煤化工表8中各因素對(duì)對(duì)由表5~表8和圖4圖7可得出:隨著翅片厚試驗(yàn)指CNMH熱器各結(jié)構(gòu)參度的增加,散熱器質(zhì)量增加,芯片最高溫度增加;隨數(shù)對(duì)散熱器質(zhì)量及芯片最高溫度影響大小的情況。第9卷第5期電子與封裝對(duì)散熱器質(zhì)量的影響由大到小的因素依次為:翅的材料成本將下降近40元,由此可大量降低大功率片厚度、平板庳度、翅片高度、翅片間距。對(duì)芯LED的成本,節(jié)約材料。片最高溫度的影響由大到小的因素依次為:翅片在對(duì)所有的模型進(jìn)行分析后,發(fā)現(xiàn)模型邊緣溫間距、翅片高度、平板厚度、翅片厚度。綜上所度較低,而最高溫度均出現(xiàn)在同一芯片上,原因是述,在設(shè)計(jì)翅片式大功率LED散熱結(jié)構(gòu)時(shí),應(yīng)在由于需要固定散熱器,該芯片底部沒有散熱翅片合適的范圍內(nèi)使翅片的厚度和間距盡可能小一些,因此考慮利用散熱器的邊緣作為固定位置,而將原這樣可以同時(shí)有效地減小散熱器的質(zhì)量,控制芯模型缺少的翅片補(bǔ)齊,則最高溫度出現(xiàn)在處于整個(gè)片的最高溫度。模型最中間的芯片上,且最高溫度僅41.74℃,比原模型低2.1℃,可見原散熱器為固定而設(shè)計(jì)的中間無散熱器質(zhì)量舞萬芯片嫩高溫度翅片結(jié)構(gòu)對(duì)于散熱影響較大。當(dāng)然還可以考慮其他固定散熱器的形式,以避免原模型造成的散熱不良45參考文獻(xiàn):and Supply( Z]. Chain Relationships for Solid-State Light41[2] David G Pelka, Kavita PateL. An Overview of LED Applidings of SPIe,圖6翅片高度-試驗(yàn)指標(biāo)關(guān)系曲線20045(186:15-263]齊昆,陳旭大功率LED封裝界面材料的熱分析門電子封裝,2007,7(6):8-13條某芯片敝高溫度[4 James Petroski. Thermal Challenges Facing New Generation[. Proceedings of SPIE, 2002, 4776, 215-222.與3[5]錢可元,胡飛,吳慧穎大功率白光LED封裝技術(shù)的研究門半導(dǎo)體光電,2005,26(2):l18126]張雪粉,陳旭功率電子散熱技術(shù)電子與封裝,2007,7]博弈創(chuàng)作室APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例505560[M]北京:中國(guó)水利水電出版社,2004平板厚度/mm8]馮亞云化工基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)M北京:化學(xué)工業(yè)出版社,200圖7平板厚度·試驗(yàn)指標(biāo)關(guān)系曲線作者簡(jiǎn)介4結(jié)論及展望張琦(1985-),男,山東廣饒人天津大學(xué)化工學(xué)院,碩士研究生,主要本文利用 ANSYS有限元分析軟件,對(duì)大功率從事結(jié)構(gòu)熱分析及功率電子封裝的研LED進(jìn)行了熱分析,并通過設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn),分析了究翅片式鋁制熱沉各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)其溫度場(chǎng)的影響陳旭(1962),男,浙江衢州人,情況,并得到了較為理想的散熱結(jié)構(gòu)模型。如選用中國(guó)煤化工微電子封裝及可靠性表4中最優(yōu)的第22號(hào)模型,按每噸標(biāo)準(zhǔn)合金壓鑄鋁研CNMHG錠約135萬元計(jì)算,則每個(gè)大功率LED路燈散熱器