一種新型平板式大功率LED照明裝置微熱管散熱方案資料

1、一種新型平板式大功率LED照明裝置微熱管散熱方案設(shè)計了一種新型的帶有百葉窗的平板式大功率發(fā)光二極管(LED)照明裝置。該裝置采用高導(dǎo)熱系數(shù)的鋁基板作為多顆大功率LED的散熱電路板，用0.4 mm的鋁片作為散熱翅片， 結(jié)合溝槽式微熱管構(gòu)成集發(fā)光與散熱一體化的輸入功率為 21 W 的照明模組，該模組可根據(jù)照明亮度要求重構(gòu)成不同功率的照明裝置。1 引言與在道路照明中使用量最大的高壓鈉燈相比， 大功率LED作為照明裝置 具有色溫可選、發(fā)光效率高、無需高壓、超高亮度、顯色性高及長壽命等優(yōu)勢。 散熱問題是限制大功率LED照明應(yīng)用的最大障礙。經(jīng)過研究了硅基多芯片的封裝 新方法，找到一種可以有效降低熱阻的用于

2、 LED封裝的金屬粘結(jié)方法。即用豎直 的碳納米管作為粘結(jié)材料直接粘結(jié)在鋁基板上，生長的碳納米管作為熱邊界材 料，得到了較好的散熱效果。并開發(fā)了一種新型熱沉來實現(xiàn)大功率LED的冷卻。還提出了一種LED的熱管散熱模型，結(jié)點溫度和熱阻都得到了較大的降低。 研究 了將LED粘結(jié)在微熱管上的散熱性能，微熱管能使芯片溫度降低更多。利用動態(tài)電學(xué)測試方法測量大功率 LED熱阻和結(jié)溫的原理、實驗裝置、 測量步驟和影響測試結(jié)果的因素。 針對利用有限元模擬分析了工作過程中的溫度 和熱應(yīng)力分布，并測試了實際器件表面特征點的溫度變化。設(shè)計了大功率LED陣列封裝的微通道冷卻結(jié)構(gòu)，探討了各參數(shù)對LED多芯片散熱效果的影響。

3、研究 了微噴射流的大功率LED主動散熱方案，實現(xiàn)大功率LED芯片組的高效散熱。采 用有限體積數(shù)值模擬、瞬態(tài)熱阻測試方法以及熱沉溫度 - 峰值波長變化的關(guān)系， 對3種散熱基板上大功率IGalnP紅光LED進行了熱特性分析。提出了一種新型 結(jié)構(gòu)的回路熱管，并建立了其性能測試實驗裝置。目前，國內(nèi)外的研究多集中在 LED熱阻、結(jié)溫測量及利用封裝方法降 低熱阻等方面。本文針對大功率 LED的照明應(yīng)用需求，提出了一種集成微熱管 的新型百葉窗式的大功率 LED照明裝置模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，并對其散熱性能 進行模擬分析和實驗研究。2大功率LED照明裝置模塊化結(jié)構(gòu)圖1(a)為大功率LED照明裝置結(jié)構(gòu)及散熱風(fēng)道示意

4、圖。照明裝置采用 模塊化的設(shè)計方法，每排LED都是1個照明模組，可以單獨使用，總共由 7個 模組組成，如圖1(b)所示。照明裝置分前艙和后艙兩部分，前艙裝有LED及電源，設(shè)計成全密封結(jié)構(gòu)；后艙安裝散熱模塊，左右及下壁面開有散熱用百葉窗結(jié) 構(gòu)。翅片自然對流散熱的風(fēng)道經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，風(fēng)可以從照明裝置翅片艙的任意一側(cè)流入，從另一側(cè)流出，同時翅片的上表層也可以和周圍的空氣進行對流散熱。LED照明裝置結(jié)構(gòu)的整體尺寸為 328 mM 480mM 84 mm模塊的基座尺寸為22 mm X 205 mm微熱管直徑為 6 mm單片翅片的尺寸為 35 mm< 66mM 0.4 mm,翅片 間距為3 mmAl-

5、bascd RGBscrew圖1 LED照明裝置及模組示意圖(a)LED照明裝置結(jié)構(gòu)及散熱風(fēng)道；(b)照明與散熱一體化的模組結(jié)構(gòu)在每個照明模組中，LED陣列焊接在鋁基電路板上，鋁基電路板下面由擠壓鋁型材板作為支撐。微熱管一端與鋁型材板下表面半圓孔利用過渡配合方式進行 固定；另外一端套裝上鋁翅片并焊接牢固，為了減小接觸熱阻，它們之間采用高 導(dǎo)熱焊料焊接。鋁基電路板和擠壓鋁型材采用螺釘連接，中間涂有硅膠。LED照明裝置通電運行后，LED產(chǎn)生的熱量通過微熱管的一端吸收，運輸?shù)?翅片端，熱量通過翅片的熱傳導(dǎo)和自然對流， 最后被空氣帶走。微熱管具有很高 的導(dǎo)熱率，能夠及時將LED產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出，避免芯片

6、結(jié)溫過度升高；采用厚度 為0.4 mm的薄鋁片來加強對流散熱，比一般的鋁基擠壓型材熱沉具有更大的散 熱面積、更輕的質(zhì)量及更好的散熱風(fēng)道。 此照明裝置運用模塊化設(shè)計，具有可重 構(gòu)特征。散熱系統(tǒng)采用自然對流散熱，不需要額外的驅(qū)動，因此結(jié)構(gòu)簡單、靈活 且成本低廉。3散熱量的理論計算單個LED照明模組中微熱管散熱器的最大傳熱能力可按描述對流傳熱的牛頓冷卻公式寫為0 二 *式中Q為熱管散熱器的總傳熱量，單位為 W a為散熱器的總傳熱系數(shù)， 單位為w/（m K）； a為散熱器的基準(zhǔn)散熱面積，單位為 m； t為熱管基板表 面溫度tb與散熱片周圍冷卻氣流溫度tf的差，即 t = tb - t f,單位為C。從

7、 式可以推導(dǎo)得到丄=型".a O式中R為當(dāng)基準(zhǔn)面積A為單位面積時，微熱管散熱器的總熱阻，按傳熱學(xué)理 論，它也是各串聯(lián)傳熱環(huán)節(jié)中的熱阻之和，即R = Rb + Rte + Rbh + Rg + 尺盅十 2?f 式中Rb為從熱管基板表面?zhèn)鬟f到貼附其上的熱管蒸發(fā)段內(nèi)壁的導(dǎo)熱熱阻；Rrg為蒸發(fā)段的傳熱熱阻；Rbh為熱管內(nèi)飽和蒸氣傳遞熱阻，由于熱管熱阻極小， 在此計算中予以忽略；Rin為冷凝段蒸氣與內(nèi)壁的傳熱系數(shù)；Rsr為冷凝段內(nèi)壁 到散熱片基板之間的導(dǎo)熱熱阻；Rf為從冷凝段翅片到冷卻氣體之間的傳熱熱阻。 得到總傳熱系數(shù)1 1桿(<XgAg)*(jfJzf) +4 I yfc/jzf)

8、+Jf (亠弘加)+(&/蟲)也/念)+1 hf代入數(shù)據(jù)，得a =6. 48 W/(m 2 K)，則微熱管散熱器的最大散熱量為 47 W。單個LED照明模組的輸入功率為21 W,假設(shè)發(fā)光效率為15%，則單個模組 的發(fā)熱量為18 W。由此可見，單個照明模組中微熱管散熱器的最大理論傳熱量 遠(yuǎn)大于LED的發(fā)熱量，所以該種散熱方式能夠滿足 LED的散熱要求。4 LED照明裝置的數(shù)值模擬分析根據(jù)一般應(yīng)用要求，假設(shè)環(huán)境溫度為 30 C,翅片與空氣的對流散熱系數(shù)為10 W/g K)。翅片材料為6063型鋁合金，導(dǎo)熱系數(shù)為201 W/(m2 K)。圖2為D翅片的溫度、溫度梯度和熱流密度分布圖?？梢姕囟?/p>

9、梯度和熱流密度的分布狀 態(tài)基本一致，溫度梯度越大熱流密度越大，這與理論分析相符合。在實際應(yīng)用中， 因翅片間的熱場會產(chǎn)生干擾，使熱量不能及時導(dǎo)出，導(dǎo)致其中某些翅片的實際溫 度值要高于理論值。si-藝譏-.KwT云Inr爸亠E Km 咅發(fā) t'gt'-LW §.8伽 is g圖2單片翅片模擬結(jié)果圖。(a)翅片溫度分布圖；(b)翅片溫度梯度分布；(c)翅片熱流密度分布。圖3為翅片間距分別為2 mm和3 mm的單排翅片溫度分布情況。翅片間距 為2 mm時，各翅片溫度分布不均勻，相鄰翅片存在明顯溫差，如圖3(a)所示。翅片間距為3 mm時，各翅片溫度分布基本一致，翅片與微熱管接

10、觸的部位溫度 較高，穿孔處可達(dá)到60 C?？梢?，翅片間距對LED散熱有直接的影響。相同條 件下，翅片溫差越小越好，因為對流傳熱是由空氣與翅片的溫度梯度驅(qū)動的。因此，本照明裝置采用的翅片間距為 3mm圖3不同間距的翅片的溫度分布圖。圖4為單排LED模組的溫度分布情況。芯片結(jié)溫TJ=TC+PDRJC,其中TC為 散熱襯底的溫度，PD為LED的功耗，RJC為LED芯片結(jié)點到散熱襯底的熱阻。 圖4(a)為使用等直徑銅管散熱器的情況，芯片襯底的最高溫度可達(dá)92.8 C,TJ =103.6 C。LED芯片在較高溫度下工作，會影響芯片的使用壽命和出光效率。圖4(b)為使用微熱管散熱器的情況，TC最高為65

11、C,TJ為73 C, LED芯 片的溫度大大降低。final vm 場 erf EdhvM 町一 _亠工匚圖4 LED模組溫度分布圖。(a)銅管散熱器；(b)微熱管散熱器analjis of radiatorTwS鳥圖5 LED照明裝置模型溫度分布(a)和熱流密度分布(b)圖5(a)為整個LED照明裝置的溫度分布圖。翅片溫度分布與單片的近似，每排翅片以及同排不同位置的翅片溫度分布都基本相同。LED芯片襯底的最高溫 度為67 C,換算后結(jié)溫為75 C,產(chǎn)生在3和4排鋁基電路板中間位置的LED 芯片上，與實驗結(jié)果吻合。模組間距、翅片間距以及翅片本身的參數(shù)都有待進一 步優(yōu)化，可使此模型獲得更好的散熱

12、效果。 模擬結(jié)果的溫度分布和實驗測得的溫 度分布情況是吻合的，因此可以用模擬結(jié)果來一步核算每個散熱模塊的散熱量。整個LED照明裝置模型的熱流密度分布如圖 5(b)所示，其平均熱流密度為100W/m2模組的傳熱量為平均熱流密度與散熱面積之積。因此，可計算單個模組的最大傳熱量為3*8 W略小于單個模組的最大散熱理論計算值，這主要是因為在模擬分析時考慮了熱場的耦合效應(yīng)，使得對流散熱作用減弱，傳熱量減小。5實驗及結(jié)果分析該照明裝置采用了兩種實驗方法進行對比測試分析。一種是采用非接觸式紅 外溫度測試儀測量LED芯片和翅片表面溫度，其結(jié)果可以直觀地反映結(jié)點溫度的 大小，如圖6所示。另一種是采用K型熱電偶對

13、關(guān)鍵特征點進行接觸式測量， 如 圖7所示。圖6紅外溫度測試裝置。gulp虹capperheat A1pipe extrusion Al-h冊胡 P( B LEDHCI1I lotion -system圖7熱電偶測溫裝置在紅外測溫方法中，LED表面的溫度由紅外測溫儀直接測得，實驗誤差主要源于紅外測溫儀自身的誤差（約為0.1 C ）。在熱電偶測溫方法中，各個點的溫 度值由熱電偶直接測得，誤差主要由熱電偶的測量誤差和多次測量的讀數(shù)誤差組 成。實驗用熱電偶為標(biāo)準(zhǔn)NiCr-NiSi的K型熱電偶，在溫度范圍為一30150 C 時，絕對測量誤差為0.2 C,相對測量誤差為0.75%;讀數(shù)的絕對誤差為1 C,

14、 相對誤差為1%所以總的絕對誤差為1.2 C，相對誤差為1.75%。圖8為不同導(dǎo)熱鋁基電路板熱平衡時的溫度分布圖和曲線。紅外測溫時，環(huán)境溫度為30 C,且系統(tǒng)已運行60 min達(dá)到熱平衡。芯片襯底最高溫度為67.7 C,經(jīng)換算得LED芯片最高結(jié)溫為75.7 C,芯片襯底最低溫度為60 C （兩 基板中間空隙空氣溫度約為40C）。基板的表面溫度約為67 T，兩側(cè)的溫度稍 低于中間溫度。25排溫度分布相近，1, 6排溫度較低。25排基板周圍熱場 干擾大，空氣流動較弱，熱量不易被帶走，從而使其溫度高于1, 6排。實驗結(jié)果表明，采用微熱管散熱方案，大功率 LED芯片可以長時間工作，這表明該散 熱方案具

15、有實用價值。70圖8不同導(dǎo)熱基板溫度分布圖和曲線圖 9 不同排翅片表面的穩(wěn)定溫度分布圖和曲線。圖 9 為 LED 翅片表面熱平衡時的溫度分布圖和曲線， 順序與基板順序相同， 翅片表面最高溫度為60.3 C,最低溫度為52.8 C （兩排翅片中間空隙空氣溫度 約為46.9 C）。翅片表面溫度中間高，兩側(cè)低，中間排翅片溫度較高。此排翅 片溫度升高主要是對流散熱效果不佳、 熱量不能及時對流到空氣中所致。 為使中 間翅片獲得更好的散熱效果，可在適當(dāng)?shù)奈恢眉语L(fēng)扇強排。實驗過程中， LED 電源有一定的發(fā)熱量， 會使芯片組周圍空氣溫度升高， 在 一定程度上增加對流散熱的困難性。 因此，在實際應(yīng)用中， 可以

16、考慮將電源單獨 放置。紅外溫度測試儀只能拍攝到某一平面的溫度分布情況，溫度會有些誤差， 但是可以用其代表 LED 系統(tǒng)整體溫度分布狀況，因為紅外測溫與熱電偶直接測 量結(jié)果一致。圖 10 為 7 個模組上相同位置點的熱電偶測溫得到的溫度分布曲線。 圖中可 以看出，各點在7個模組上的溫度基本成正態(tài)分布，最高溫度為61.2 C,最低 溫度為53.6 C，與紅外溫度測試儀測得的溫度分布相吻合。在單個模組的不同 點上，點 1 和點 2 的溫度基本相等， 點 3 的溫度最低， 因為點 3 處在模組翅片 的最外層。圖 11 為 A， B， C， D 4 片翅片上不同點的溫度分布。由理論知識可 知，單片翅片上

17、的溫度成對稱分布，所以在其 1/4 面積上取了 5 個點，點的位 置分布如圖 12 所示?？梢姵崞谡w翅片中的位置對翅片溫度有很大的影響， 而各片翅片的溫度分布情況是一致的， 離熱管中心越遠(yuǎn)其溫度越低， 因為在熱傳 導(dǎo)過程中溫度會降低。GO1234567Row誡日5652isJi圖10 7個模組在相同位置點上的溫度分布r 一 Fin AFin B-Fin D12345Fbinta distribution of fins圖11 A,B,C,D 4片翅片上不同點溫度分布。圖13為各排模組上LED燈底座的溫度分布曲線，其分布狀況可代替LED燈的溫度分布情況。由圖可知，各排 LED的溫度分布趨勢一

18、致，隨著微熱管傳熱方向呈遞減趨勢，但溫度最高值出現(xiàn)在中間位置。 微熱管的等溫性雖好，但依然 存在很小的傳遞溫差，LED的溫度值也受其位置的影響，位置不僅影響其所對應(yīng) 翅片的散熱情況，而且也影響其對應(yīng)的 Al基板的對流散熱情況。圖12翅片上點的位置分布圖13各排LED底座溫度分布根據(jù) Edison 公司給出的大功率白光 LED 的結(jié)溫在亮度 70%時與壽命的關(guān)系 可知，當(dāng)芯片結(jié)點溫度為75 C時，其壽命大約為40000 h，而市場上使用的高 壓鈉燈有效使用壽命大約為10000 h,所以此照明裝置結(jié)構(gòu)具有很高的市場應(yīng)用 價值。6 結(jié) 論提出了一種新型的帶有百葉窗的平板式大功率 LED 照明裝置。實驗和數(shù)值 模擬結(jié)果表明， 整個照明裝置中不同翅片間溫度分布具有耦合效應(yīng)， 翅片間距與