大功率LED散热解决方案.doc

LED散热设计方案 题 目： 大功率LED散热方案 学 院： 电气信息学院 学 生 姓 名： 李宇 专 业： 测控技术与仪器 学 号： 312010080401204 指 导 教 师： 靳斌 日期：2013年 5 月1 日 大功率LED散热方案 摘 要： 目前，随着LED向着大功率方向发展，很多功率型LED的驱动电流达到70 mA、100 mA甚至1 A，电流增大虽然能够提高LED的亮度、功率，但是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。业内已经对大功率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、复合金属基板等方法，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，依靠强对流散热等方法促进大功率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10 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。研究方法为有限元热分析法．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。 关键词：散热，LED，结构 创建节约型社会已经成为共识，建筑中采用节能型照明系统也已成为一种趋势。目前，大功率L E D在发光效率、使用寿命 、光输 出特性、显色性能以及绿色无污染等方面具有独特的优势 ，成为具有极强竞争力的新型优质光源，然而在决定大功率L E D能否广泛应用的几个关键技术中，散热设计是非常重要的一环。也就是说，散热设计的好坏将直接决定大功率L E D的性能指标优以及实际的推广应用能否获得成功。 考虑热导率与散热方式的影响，使用大型有限元软件ANSYSl0.0模拟并分析了大功率LED热分布。通过分析不同封装、热沉材料及散热方式对LED热分布与最大散热能力的影响，指出解决LED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。 建立模型 2.2几何模型的建立 ????? ?2．3 有限元模型的建立 1??? LED模型中各材料的参数值 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 HYPERLINK /805.html \o 照度 \t _blank 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 HYPERLINK /612.html \o mid \t _blank middot;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改善成效不大，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。 3．2 热导率对LED的散热的影响??????? 只考虑热传导与对流，改变不同封装填充材料如硅树脂．得出结果，如图3所示。即使找到一种热导率高达7 Wm-1K-1的环氧树脂成分封装材料时，相比使用热导率为0.25 Wm-1K-1的环氧树脂成分封装材料时，芯片温度下降不多，铝基板温度只下降了2.271℃，最大功率仅提高了0.69 W。实际上，热导率值超过7Wm-1K-1以上、可商业化的透明硅树脂封装材料目前尚无文献报导。分布云图如图4所示。  表2给出透镜热导率为0.2 Wm-1K-1时，不同热沉材料的导热系数对于LED最大功率影响。由表2看出，热沉材料对于LED的最大散热能力的影响很小。 3．3 增加散热面积对LED散热的影响????????表3为3种不同散热方式对LED的温度分布、最大功率的影响。可以看出，增加散热面积是很好的散热方式，可以轻易地提高LED器件散热能力，这是目前 LED产品所普遍使用的散热方式之一。然而缺点也很明显：影响成本、增加产品重量、影响封装密度。无限度地提高LED散热