基于有限元的大功率LED灯具散热分析

朱伯明,褚才良,杨润光,杨凯（.宁波燎原灯具股份有限公司,浙江宁波35408；.中国计量学院,杭州30000)

基于有限元的大功率LED灯具散热分析

朱伯明1,褚才良1,杨润光2,杨凯2
（1.宁波燎原灯具股份有限公司,浙江宁波315408；2.中国计量学院,杭州310000)

摘要:本文通过对某功率型LED散热模组建立热阻理论模型，并利用大型有限元仿真软件ANSYS对其进行仿真热分析,得出了其热稳态及瞬态的温度场分布。结果表明:在薄插片式LED散热器设计中，采用热管结构可以大幅降低散热片近端与远端之间的热阻，从而充分发挥翅片式散热器散热面积大的优点，有效地降低功率型LED芯片模块在使用时的结温，增加系统的可靠性。

关键词:大功率LED;热管;有限元;ANSYS

1引言

作为一种电致发光器件，LED具有许多独特的优点，诸如低功耗、污染小、寿命长等。但随着LED功率的增大，产热量增多，如果散热问题解决不好，热量集中在尺寸很小的芯片内，使得芯片内部温度越来越高。随着温度上升,荧光粉量子效率降低,出光减少,辐射波长也会发生变化。荧光粉辐射特性的改变,也会引起白光LED色温、色度的变化。较高的温度还会加速荧光粉的老化[1-2]。̓̓

与此同时，由于LED元件的可靠性与温度成反比，LED芯片的故障率随元器件温度升高而成指数关系增长，因此应严格控制LED芯片温度，散热技术成了大功率LED应用研究的重点课题[3-5]。

2有限元理论

在直角坐标中，从散热片中任意取出一个立方形控制体，根据热力学第一定律有: ̓̓

由于散热片是具有内热源的三维导热问题，所以当散热片的体积为V，其边界曲面为S，根据变分原理式(2)推导出：̓̓

假定散热片周围流体的介质温度Tf和散热片表面与周围介质之间的对流换热系数已知，即散热片边界曲面满足第三类边界条件，也即当S=Sa时，有

将（4）式代入（3）式，可导出̓̓

把散热片离散成E个单元和m个节点，对每个待求的节点温度可以建立一个代数方程，也就是离散方程，由m个代数方程可组装成系统方程̓̓

式中[C]为比热矩阵，[K]为热传导矩阵，{Q}为节点热流率向量。求解(6)式，可得到各个节点的温度值。

3建模及仿真

如图1是目前市面上销售的大功率LED典型倒装焊接结构，热量由芯片结区产生，从两个路径并行传出：一是从半导体PN结传到硅胶再到塑料透镜散发到空气中；二是从焊接层传到热沉再通过金属或陶瓷基板进行散热，后者热阻较小而作为主要的散热途径。当没有热管时，建立如图2(a)的大功率LED灯组模型。图2(b)为相应的热阻等效模型。̓

图1倒装焊接的LED横截面视图

图2未使用热管的大功率LED散热器

由图2(b)可知，此时散热器的总热阻R为：̓̓

图3给出了无热管时大功率LED灯具模组的有限元稳态和瞬态热分析结果。从图3(a)可见散热翅片的近端与远端的温差近14.5℃，对于近端与远端的相同面积的叶片微元，其散热能力比为：̓̓̓ ̓̓

因而散热翅片的整体散热能力受到了很大的削弱。̓̓

与之相比较，建立同样结构的大功率LED灯具散热模组，当采用热管散热时其结构模型和热阻等效模型如图4所示。̓̓

此时大功率LED灯具散热模组的热阻为：

图3未使用热管的大功率LED散热器

图4未使用热管的大功率LED散热器

图5使用热管的大功率LED散热器

由仿真结果可以看到远端和近端的温度差值降低为1.12℃，大功率LED灯具散热器翅片远端因此也具有了很好的散热能力，使得散热器与空气间的整体热阻得到了较大幅度的降低，散热器的散热能力也接近于1，起到了较好的散热效果。

4结论

综合以上仿真结果可以看出，在未使用热管的模型中，由于大功率LED散热器翅片的热阻比较大，翅片的远端和近端的温差近14.5℃，翅片的远端散热能力只有近端的23.7%，因而大大削弱了叶片的散热能力。在使用热管的模型中，叶片近端与远端之间的热阻大幅下降，从而充分发挥翅片式散热器散热面积大的优点，有效地降低功率型LED芯片模块在使用时的结温。

参考文献：

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[2]黄建国,刘斌,欧文.大功率LED模组散热基板结构研究[J].微电子学,2014,44(04):229-232.

[3]王志斌,刘永成,李志全.双进双出射流水冷大功率LED散热系统研究[J].光子学报,2014,43(07):0723003.

[4]勾昱君,刘中良.热管换热器应用于大功率LED路灯冷却系统的实验研究[J].照明工程学报,2012,23(02):37-42.

[5]李红传,纪献兵,郑晓欢.并行多通道大功率LED回路热管散热器[J].光电子·激光,2015,26(01):48-53.