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大功率LED散热的改善方法

作者:时间:2010-11-22来源:网络收藏

摘要:考虑热导率与方式的影响,使用大型有限元软件ANSYSl0.0模拟并分析了热分布。通过分析不同封装、热沉材料及方式对热分布与最大能力的影响,指出解决散热问题的关键不是寻找高热导率的材料,而是改变LED的散热结构或者散热方式。
关 键 词:LED;散热;有限元法(FEM);热导率

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/169138.htm


1 引言
目前,很多功率型LED的驱动电流达到70 mA、100 mA甚至1 A,这将会引起芯片内部热量聚集,导致发光波长漂移、出光效率下降、荧光粉加速老化以及使用寿命缩短等一系列问题。业内已经对LED的散热问题作出了很多的努力:通过对芯片外延结构优化设计,使用表面粗化技术等提高芯片内外量子效率,减少无辐射复合产生的晶格振荡,从根本上减少散热组件负荷;通过优化封装结构、材料,选择以铝基为主的金属芯印刷电路板(MCPCB),使用陶瓷、复合金属基板等,加快热量从外延层向散热基板散发。多数厂家还建议在高性能要求场合中使用散热片,依靠强对流散热等促进大功率LED散热。尽管如此,单个LED产品目前也仅处于1~10 W级的水平,散热能力仍亟待提高。相当多的研究将精力集中于寻找高热导率热沉与封装材料,然而当LED功率达到lO W以上时,这种关注遇到了相当大的阻力。即使施加了风冷强对流方式,牺牲了成本优势,也未能获得令人满意的变化。
讨论在现有结构、LED封装及热沉材料热导率等因素变化对于其最大功率的影响,寻找影响LED散热的关键因素。研究为有限元热分析法.该方法已有实验验证了LED有限元模型与其真实器件之间的差别,证明其在误差许可范围内是准确可行的。


2 建立模型
2.1 有限元热分析理论
三维直角坐标系中的瞬态温度场场变量T(x,y,z,t)满足:


式中:T/x,T/y,T/z为沿x,y,z方向的温度梯度;λxx,λyy,λzz为热导率;q0为单位体积的热生成;ρc是密度与比热容的乘积:dT/dt为温度随时间的变化率。


式中:Vx,Vy,Vz为媒介传导速率。
对于稳态热分析而言,T/t=0,式(1)可化简为:


根据式(3)、边界条件与初始条件,利用迭代法或者消去法求解,得出热分析结果。
2.2 几何模型的建立
图1为依据常见1 w大功率LED尺寸建立并简化、海鸥翼封装铝热沉的大功率LED图形,底座接在MCPCB铝基板上。主要数据:芯片尺寸为1 mm×1 mm×O.25 mm,透镜为直径是13 mm的半球。硅衬底为边长17 mm,高0.25 mm的正六棱柱,MCPCB为直径20 mm,高1.75 mm的六角星形铝质基板。

2.3 有限元模型的建立
模型采用ANSYSl0.0计算,为方便分析,假设模型:
LED输入功率为1 W,光效率取10%;封装体外部的各组件(包括MCPCB、陶瓷封装、热沉的外部)通过与空气的对流散热;器件与外界的热对流系数为20。工作环境温度为25℃;器件满足使用ANSYS软件进行稳态有限元热分析的条件;最大结温选择为125℃。各种材料的参数如表1所示。


3 分析各种因素对于散热能力的影响
3.1 热辐射系数对LED散热的影响
图2为表面黑度为0.8时的温度云图。根据斯蒂芬-玻耳兹曼定律,辐照度j*与温度T之间的关系:j*=εσT4。其中ε为黑体的辐射系数;σ=5.67×10-8w/(m2·k4),称为斯蒂芬-玻耳兹曼常数。因此可知,温度越高,辐照度越大。当输入功率为1 W时,经由表面辐射散出的热能为7.63×10-4W,仅占总热功率的1.63‰;功率达到2 W时,经辐射散出的热能也仅占6.33‰。因此改变热辐射系数对于提高散热能力成效不大,散热的关键在于提高另外两种散热方式:热传递和热对流。尽管如此,仍有一些厂家将LED器件的外表面涂成黑色,以期最大限度地利用辐射散热。


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