大功率LED散熱設(shè)計(jì)-北京航空航天大學(xué)大學(xué)畢業(yè)答辯

1、工程系統(tǒng)工程系2008年6月北京航空航天大學(xué)北京航空航天大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)照明用大功率照明用大功率LED陣列散熱設(shè)計(jì)與仿真分析陣列散熱設(shè)計(jì)與仿真分析匯報(bào)提綱課題的來源和意義論文研究的內(nèi)容和實(shí)施方案論文的實(shí)施過程結(jié)論與展望課題的來源 大功率白光LED以其體積小巧、高亮度、壽命長(zhǎng)、工作電壓低、使用安全等眾多優(yōu)點(diǎn)沖擊著傳統(tǒng)光源的市場(chǎng)地位。然而，大功率LED在散熱和價(jià)格等方面的技術(shù)難題沒有很好的解決，嚴(yán)重制約著大功率白光LED在民用照明領(lǐng)域的發(fā)展。 某公司設(shè)計(jì)的一個(gè)18 W的大功率白光LED燈具為本論文的研究對(duì)象，本論文針對(duì)該燈具在研究大功率LED封裝熱特性基礎(chǔ)上對(duì)LED照明陣列進(jìn)行散熱器的設(shè)計(jì)，并

2、對(duì)LED照明陣列建立等效熱阻網(wǎng)絡(luò)模型和軟件仿真分析，最后對(duì)LED照明燈具進(jìn)行熱實(shí)驗(yàn)，來驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性。課題的意義 大功率白光LED以其體積小巧、高亮度、壽命長(zhǎng)、工作電壓低、使用安全、響應(yīng)速度快、耐沖擊防震動(dòng)、無紫外線和紅外線輻射等諸多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍在逐漸的擴(kuò)大，在城市景觀、LCD背光板、交通標(biāo)志、汽車尾燈照明和廣告招牌等方面有著廣泛的應(yīng)用，具有良好的應(yīng)用前景。 大功率LED芯片的有源區(qū)面積小、工作電流大，輸入功率中又只有少部分能量轉(zhuǎn)化為光能，其余的則轉(zhuǎn)化為熱能造成其結(jié)溫升高。結(jié)溫是衡量大功率LED封裝散熱性能的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)：結(jié)溫升高，會(huì)直接減少芯片射出的光子數(shù)量，使發(fā)光效率降低。同時(shí)

3、由于溫度升高而產(chǎn)生的各種熱效應(yīng)也會(huì)嚴(yán)重影響到LED器件的使用壽命和可靠性，當(dāng)溫度超過一定值時(shí)，器件失效率呈指數(shù)規(guī)律變化。因此，對(duì)大功率LED進(jìn)行散熱研究具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。研究的主要內(nèi)容1）LED封裝的熱特性研究 研究大功率LED封裝的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部熱沉對(duì)LED散熱性能的影響，對(duì)目前流行的封裝技術(shù)、散熱方法、常用散熱器類型及選擇方法進(jìn)行綜合研究分析。2）建立LED照明陣列的等效熱阻網(wǎng)絡(luò)模型 僅靠改進(jìn)LED的封裝結(jié)構(gòu)和材料的選擇并不能滿足大功率LED的散熱需要，LED的封裝結(jié)構(gòu)確定后還應(yīng)在LED外部加裝散熱器。在對(duì)大功率LED封裝熱特性研究的基礎(chǔ)上，對(duì)LED照明陣列建立等效熱阻網(wǎng)絡(luò)模型

4、，分析得出LED的殼溫與結(jié)溫之間的關(guān)系。研究的主要內(nèi)容3） LED照明陣列散熱器的設(shè)計(jì)與仿真： 在對(duì)封裝熱特性和熱阻網(wǎng)絡(luò)研究的基礎(chǔ)上，對(duì)某LED照明陣列設(shè)計(jì)相應(yīng)的散熱器，并對(duì)LED照明陣列進(jìn)行建模和仿真分析，計(jì)算得到LED的結(jié)溫，與設(shè)計(jì)目標(biāo)相比較，評(píng)估散熱器的散熱性能。4）試驗(yàn)驗(yàn)證：為驗(yàn)證ICEPAK軟件對(duì)大功率LED陣列進(jìn)行仿真分析結(jié)果的正確性，對(duì)LED照明燈具進(jìn)行熱實(shí)驗(yàn)。論文的實(shí)施過程1. LED封裝的熱特性1.1 熱效應(yīng)對(duì)大功率LED的影響 對(duì)于單個(gè)LED而言，如果熱量集中在尺寸很小的芯片內(nèi)而不能有效散出，會(huì)導(dǎo)致芯片溫度升高，引起熱應(yīng)力的非均勻分布、芯片發(fā)光效率和熒光粉激射效率下降。當(dāng)多

5、個(gè)LED密集排列組成白光照明系統(tǒng)時(shí)，熱量的耗散問題更嚴(yán)重。因此解決散熱問題己成為功率型LED應(yīng)用的先決條件。論文的實(shí)施過程1.2 常用的LED封裝結(jié)構(gòu)LED封裝結(jié)構(gòu)硅基倒裝芯片結(jié)構(gòu) 基于金屬線路板結(jié)構(gòu) 微泵浦結(jié)構(gòu) 論文的實(shí)施過程 1.3 LED的封裝材料 粘貼材料 環(huán)氧樹脂 基板材料 封裝材料論文的實(shí)施過程2.常用的散熱方法常用的散熱方法自然對(duì)流 強(qiáng)制對(duì)流 液體冷卻 論文的實(shí)施過程2.1 自然對(duì)流散熱 自然對(duì)流散熱方法是指不使用任何外部輔助能量的情況下，實(shí)現(xiàn)局部發(fā)熱器件向周圍環(huán)境散熱達(dá)到溫度控制的目的， 這其中通常都包含了導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射三種主要傳熱方式， 其中對(duì)流以自然對(duì)流方式為主。 自然散

6、熱往往適用對(duì)溫度控制要求不高、器件發(fā)熱的熱流密度不大的低功耗器件和部件， 以及密封或密集組裝的器件不宜采用其它冷卻技術(shù)的情況下。 論文的實(shí)施過程 2.2強(qiáng)制對(duì)流散熱方法 強(qiáng)制對(duì)流散熱方法主要是借助于風(fēng)扇等強(qiáng)迫器件周邊空氣流動(dòng)， 從而將器件散發(fā)出的熱量帶走的一種方法。這種方法是一種操作簡(jiǎn)便、收效明顯的散熱方法。如果部件內(nèi)元器件之間的空間適合空氣流動(dòng)或適于安裝局部散熱器， 就可盡量使用這種冷卻方法。 提高這種強(qiáng)迫對(duì)流傳熱能力的方法主要有:增大散熱面積以及在散熱表面產(chǎn)生比較大的強(qiáng)迫對(duì)流傳熱系數(shù)。論文的實(shí)施過程 2.3 液體冷卻 對(duì)電子元器件采用液體冷卻的方法進(jìn)行散熱，主要是針對(duì)芯片或芯片組件提出的概

7、念。 液體冷卻的特點(diǎn)是: 使用電介質(zhì)冷卻液作為工作介質(zhì)； 通過控制液滴直徑和頻率來控制冷卻功率； 內(nèi)部可以集成控制的軟件， 可以被用來冷卻芯片。論文的實(shí)施過程3. 常用的散熱器類型 1.橫剖壓延散熱器 2.折疊肋片式散熱器3.有源散熱器 4.型材散熱器 論文的實(shí)施過程3.1 影響散熱器散熱效果的因素幾何因素幾何因素的影響的影響 1環(huán)境溫度的影響環(huán)境溫度的影響 4功耗的影響功耗的影響 3界面熱阻的影響界面熱阻的影響 2論文的實(shí)施過程 3.1.1幾何因素影響 散熱器的有效面積與散熱器幾何參數(shù)密切相關(guān)。一般散熱器由肋片和基座構(gòu)成，主要的幾何參數(shù)包括肋片長(zhǎng)、肋片厚，肋片數(shù)、基座厚、基座寬。 3.1.2

8、 界面熱阻的影響 功率器件加了散熱器之后系統(tǒng)總熱阻包括功率器件內(nèi)熱阻、界面熱阻以及散熱器熱阻?？梢圆扇〉拇胧┯校杭哟蠼佑|面之間的壓力；提高接觸面的加工精度等方法來降低界面熱阻的影響。 論文的實(shí)施過程 3.1.3 功耗的影響 器件的功耗越大，發(fā)熱量也越多，功耗太大導(dǎo)致散熱器溫升超過允許范圍，無法滿足散熱要求。 3.1.4 環(huán)境溫度的影響 隨著環(huán)境溫度的增加，散熱器的熱負(fù)荷增加，器件結(jié)溫也升高。如果散熱器熱負(fù)荷超過允許范圍，則達(dá)不到應(yīng)有的散熱效果導(dǎo)致器件損壞。環(huán)境溫度對(duì)器件結(jié)溫的影響很大，因此在不同的環(huán)境溫度，要經(jīng)過試驗(yàn)，合理選擇相應(yīng)散熱器才能使功率器件更有效散熱。 論文的實(shí)施過程4.照明用大功率

9、LED陣列的散熱設(shè)計(jì) 4.1 LED照明陣列簡(jiǎn)介 LED照明陣列的結(jié)構(gòu)如圖5.1所示，其中9只1W的白光LED和9只用于情景照明的RGB芯片間隔貼裝在長(zhǎng)方形的鋁制線路板上。論文的實(shí)施過程 LED采用藍(lán)寶石襯底的GaN藍(lán)光芯片激發(fā)黃色熒光粉，從而產(chǎn)生白光；RGB總功率為1W，內(nèi)部封裝了紅、綠、藍(lán)三色芯片，可控制單獨(dú)發(fā)光實(shí)現(xiàn)情景照明，全部發(fā)光則組合成白光。在模塊中電流通路與熱流通道各自獨(dú)立， 有利于進(jìn)一步散熱設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，使用方便。發(fā)光芯片的光轉(zhuǎn)化效率約為3032，芯片結(jié)溫極限為125oC，工作溫度極限為-40oC+85oC，LED熱阻約8oC/W。材料 藍(lán)寶石GaN鋁導(dǎo)熱系數(shù)/35130178材料

10、銀膠黃銅導(dǎo)熱系數(shù)/3.8389光轉(zhuǎn)化效率30%)/(2KmW)/(2KmW論文的實(shí)施過程4.2 LED陣列散熱器的設(shè)計(jì) 考慮因素結(jié)構(gòu)選擇幾何尺寸選用材料論文的實(shí)施過程4.2.1 結(jié)構(gòu)選擇 從外形上看，散熱器可分為兩種類型，一種是平板型散熱器，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易自制，但散熱效果較差，且所占面積較大；另一種是經(jīng)加工成型、構(gòu)成系列化產(chǎn)品的散熱器，如型材散熱器、叉指型散熱器、扇頂型散熱器和塑封器件專用散熱器等，此類散熱器的散熱效果好，易于安裝，適合進(jìn)行大批量生產(chǎn)，但成本較高。本論文選擇型材鋁制肋片式散熱器，它適用于大面積器件的散熱，肋片式散熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于制造，比較適用于大功率LED陣列的散熱。論文的實(shí)

11、施過程4.2.2 幾何參數(shù)的選取1）散熱器長(zhǎng)度。肋片長(zhǎng)度適當(dāng)增加能減小器件結(jié)溫，但是過分增加肋片長(zhǎng)度不能確保熱量傳導(dǎo)至散熱器肋片的末端，因此使傳熱受到影響，不能大大降低結(jié)溫，反而使散熱器重量增加太多。一般認(rèn)為散熱器的肋片長(zhǎng)度和基座寬度之比接近1傳熱較好，同時(shí)為便于加工，選擇散熱器長(zhǎng)為60cm。2）散熱器肋片高度。隨著肋片高度的增加，器件的熱量更易通過肋片散至周圍空間，但是如果肋片高度過高，會(huì)增加散熱器的體積和重量。選擇在基座上方肋片高為7.5mm，基座下方肋片高為15mm。3）散熱器肋片的個(gè)數(shù)。一般隨著肋片數(shù)目的增多器件結(jié)溫會(huì)有所降低，但是超過某一數(shù)值后隨著肋片的增多器件結(jié)溫沒有明顯變化，而散

12、熱器重量明顯增加。同時(shí)肋片數(shù)目增加有時(shí)還要考慮器件安裝的問題，有的器件安裝在散熱器兩肋片之間，如果肋片數(shù)太多，器件不易安裝在散熱器上。一般選擇肋片的個(gè)數(shù)為8片左右，本文選擇肋片數(shù)為9片 。論文的實(shí)施過程4.2.3 散熱器的材料 散熱器一般都要進(jìn)行煮黑氧化處理，降低散熱器熱阻，減小熱源結(jié)溫，使得器件更安全可靠工作。散熱器材料選取銅或者鋁對(duì)于散熱器性能并沒有太大影響，本文選擇的是價(jià)格較低的純鋁材料。肋片位置肋片個(gè)數(shù)肋片厚度肋片高度肋片間距基座厚度基座上方91.1mm7.5mm4.3mm1.1mm基座下方21.1mm15mm34.5mm尺寸參數(shù)表散熱器剖面圖論文的實(shí)施過程5.熱阻網(wǎng)絡(luò)模型的建立與分析

13、 5.1 建立熱阻網(wǎng)絡(luò) 電子設(shè)備的功耗恒定的情況下，熱流源等效于理想的電流源。導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射換熱的區(qū)域可用熱阻來處理，如同電阻定義為兩點(diǎn)間電壓與電流之比，熱阻定義為兩點(diǎn)間溫差與熱流之比。熱沉等效于“接地”或“地線”，所有的熱源和熱回路均與其相連接，形成熱電模擬網(wǎng)絡(luò)。 123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:14-Jun-2002Sheet of File:F:programepcbheatsink.ddbDrawn By:PcRTcRTjRTfjTjTccTffaTa123456ABCD654321DCBATitleNumberRev

14、isionSizeBDate:25-Jun-2002Sheet of File:F:programepcbheatsink.ddbDrawn By:PcRTcRTjRTpRTfjTjTccTffaTa論文的實(shí)施過程 功率器件裝上散熱器后，其散熱途徑將會(huì)有所變化。器件內(nèi)熱阻Rj保持不變，器件的熱量一方面通過外殼直接向周圍傳遞，外熱阻為RTp；另一方面器件將熱量傳給散熱器，它們之間的熱阻為接觸熱阻RTc，然后再由散熱器把熱量發(fā)散到周圍空間，其熱阻為散熱器熱阻RTf .論文的實(shí)施過程5.2 熱阻網(wǎng)絡(luò)模型分析 將功耗模擬為電流，溫差模擬為電壓，熱阻模擬為電阻可以計(jì)算出熱阻網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)熱阻值。RTRTj+

15、RTc+RTf 式中 RTj RTc RTf DaJPTT DCJPTT DfCPTT DafPTT 結(jié)果檢查網(wǎng)格劃分邊界條件選取建立模型ICEPAK軟件仿真論文的實(shí)施過程6.軟件仿真論文的實(shí)施過程6.1 建立模型 在ICEPAK軟件中建立LED燈具的模型，主要由熱源、金屬線路板、高導(dǎo)熱銀膠和散熱器組成。模型中把每只功率LED考慮成一個(gè)熱源，共有18個(gè)發(fā)光芯片， 每個(gè)芯片的耗散功率為1W，該燈具長(zhǎng)60mm、寬3.4mm、高2.4mm，燈具的外殼和散熱翅片應(yīng)用的是純鋁材料，線路板采用的是鋁基金屬線路板。論文的實(shí)施過程6.2 網(wǎng)格劃分 對(duì)已建完的模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，首先進(jìn)行粗劃分，取x方向長(zhǎng)度的1/

16、100即0.03m，取Y方向0.002m，取Z方向取0.003m，檢查網(wǎng)格的質(zhì)量然后進(jìn)行局部加密。論文的實(shí)施過程6.3 溫度場(chǎng)分析1.線路板溫度場(chǎng)分布2.LED芯片的溫度場(chǎng)分布論文的實(shí)施過程3.背板的溫度場(chǎng)分布由 公 式論文的實(shí)施過程6.4 LED結(jié)溫的計(jì)算 通過LED陣列的線路板、背板和LED芯片的溫度場(chǎng)分布圖可以看出，溫度最高的區(qū)域集中在模塊的中部，兩端相對(duì)較低，從熱源溫度圖得到最高芯片的殼溫是80.4 。WCAKdRRTjT/8.111DcjTjPTTRcDTjjTPRTCTPRTCDTj864 .807 . 08換算可得AKdR又 因 為代入公式可 得論文的實(shí)施過程7. 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 7.

17、1實(shí)驗(yàn)條件確定 把大功率LED燈具，放入溫度試驗(yàn)箱，由于所設(shè)計(jì)的LED燈具工作環(huán)境極限溫度為- 40 +85 ，試驗(yàn)中我們將試驗(yàn)箱的溫度設(shè)定為比較嚴(yán)酷的40 ，連續(xù)工作1000小時(shí)，采用接觸式熱測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量芯片底部和線路板上的溫度。論文的實(shí)施過程 試驗(yàn)條件 將LED燈具放入恒定溫度實(shí)驗(yàn)箱，空氣設(shè)定為自然對(duì)流，溫度調(diào)至40C，時(shí)間設(shè)定1000h， 試 驗(yàn) 裝 置試 驗(yàn) 裝 置論文的實(shí)施過程7.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對(duì)比分析傳感器位置實(shí)測(cè)溫度（）分析溫度()誤差（%）1背板中間67.374.610.82背板左端56.558.33.23背板右端5758.42.54線路板左端62.856.510.035線路板右端62.957.29.066線路板中間70.279.613.4平均誤差8.16式中，100實(shí)測(cè)溫度分析溫度實(shí)測(cè)溫度誤差結(jié)論 通過ICEPAK軟件仿真分析