基于平板热管的大功率LED散热系统模拟及优化

叶祥平，刘 煜，黄青松



基于平板热管的大功率LED散热系统模拟及优化

叶祥平1，刘 煜1，黄青松2

（1. 广东省惠州市质量计量监督检测所，广东 惠州 516003；2. 厦门大学 航空航天学院，福建 厦门 361005）

为解决大功率LED的散热问题，设计了平板热管散热器来实现LED芯片的高效散热。通过Flotherm模拟软件，对大功率LED在自然对流条件下的散热情况进行了三维数值模拟。通过平板热管与常规铜、铝散热基板对比，发现平板热管有效降低了大功率功率LED的结温和热阻，使得LED温度分布更为均匀。此外，还研究了平板热管LED散热系统在不同芯片功率下的热性能，并对四种不同排布方式的LED 平板热管散热系统进行了优化，发现阵列分布其温度分布最为均匀，结温最低，是较优的排布方式。

大功率LED；散热；平板热管；模拟；优化；结温

LED具有节能、环保、寿命长、显色性好、响应速度快等优点，已广泛应用在各种指示、显示、装饰、背光源和照明等领域。然而，目前的LED由于光电转换效率偏低，导致大量的能量转化为热能，从而带来严重的散热难题[1]，由温升导致的发光效率降低、可靠性下降、芯片寿命缩减等问题，已成为制约LED 发展的关键瓶颈之一[2]。由于LED芯片产生的热量绝大部分通过热沉、散热翅片，然后以热对流的方式耗散在空气中，因此，热沉的导热性能对降低芯片结温、实现有效散热起到关键的作用。

传统大功率LED散热基板主要为金属基板[3]，如铝、铜等，其具有良好的机械强度和韧性、较低的成本。然而，随着大功率LED的集成度提高，由此带来的高热流密度已经超出了传统金属基板的散热极限[4]，亟需采用高效散热器件来实现大功率LED的散热。国内外学者在LED高效散热技术方面进行了一些尝试。陈伟等[5]提出用封闭微喷射流系统来进行LED散热，通过液体的喷射带走芯片基板的热量，取得了显著的快速冷却效果。田大垒等[6]用热电制冷器件来实现大功率LED的冷却降温, 实验发现其显著地降低了LED的结温。Ye 等[7]采用圆热管对LED基板进行散热，利用液体在密闭圆形腔体内的蒸发、冷凝相变，实现热量的快速传递，通过数值模拟分析了该热管散热系统的优异效果。然而，上述微喷射流系统、热电制冷系统均需要复杂的系统设计，如外接驱动泵等，显著增加了系统的成本；而圆热管由于其与LED基板的接触面积有限，在多个热源的情况则显得无能为力。

平板热管通过平板内壁吸液芯内的工质蒸发、冷凝相变实现热量的快速散失，从而实现大功率LED的快速冷却降温，是解决大功率LED散热难题的理想选择。目前，已有研究者[8-9]采用平板热管作为大功率LED散热器，并通过实验对其散热性能进行了初步研究，对平板热管在大功率LED的应用进行了初步探索。然而，通过实验测试大功率LED的结温，面临难以实现、测试不准确等固有缺陷，采用数值模拟方法可以较好地克服这一困难。此外，通过文献检索发现，通过数值模拟方法对大功率LED平板热管散热性能及优化的研究十分缺乏。因此，本研究通过平板热管与传统铝、铜金属基板的对比，采用数值模拟分析了该散热系统的效果，并对不同排布方式的大功率LED平板热管散热系统进行了分析和优化，为基于平板热管的大功率LED的优化设计提供参考。

1 平板热管工作原理

平板热管的工作原理如图1所示。其由上下两块金属平板密封焊接拼合而成，液体工质在蒸发面受热后蒸发、吸收大量热量，在冷凝面冷凝、释放出大量热量，从而实现热量从蒸发面局部区域向整个冷凝面的高效传递。冷凝液体工质则沿壁面回流至蒸发面，实现相变传热过程的循环往复进行。由于其平板型结构可以与芯片直接贴合，大大减少了热源与散热器之间的接触热阻，可将局部的高热流密度以及多个热源的热量近乎等温传递到一个大的平面上，从而有效解决了芯片表面的局部热点、多热源等难题，特别适合于多芯片封装的LED器件。此外，平板热管还具有结构简单、体积小巧、易于与微型器件一体化封装等显著优点，从而为狭小空间内高热流密度光电子器件的散热难题提供了一种极佳的解决方案。

图1 平板热管工作原理示意图

2 大功率LED封装模型

典型的大功率LED封装结构模型，其主要由玻璃透镜、LED芯片、PCB板、导热硅脂、散热基板、散热翅片等组成，LED芯片的发热量主要通过底部PCB板、散热基板、散热翅片向外界自然对流散失。通过热辐射散失的热量所占比例仅为1.6%，可忽略不计[10]。在热仿真分析软件Flotherm中，根据上述典型的大功率LED封装结构建立起简化的三维模型，见图2，模拟自然对流条件下LED封装结构的热性能。相关各封装结构的参数如表1所示。

图2 大功率LED封装模型（玻璃透镜位于芯片上方，未画出）

表1 大功率LED模型各部分参数

Tab.1 Geometric parameters of the model of high-power LED

对计算模型做如下假设：（1）忽略热量通过荧光粉和透镜往上的散失；（2）不考虑封装过程各层之间的接触热阻；（3）LED芯片阵列是正方体均匀热源；（4）周围环境温度设为25 ℃；（5）器件在空气接触面上的对流模式为空气自然对流，空气自然对流系数为5 W/(m2·K)，压强为一个标准大气压（1.01×105Pa）。Flotherm模拟时，将上述模型看成三维、稳态、常物性、有内热源的导热和对流热耦合问题进行求解[11]。

3 散热分析与优化

3.1 三种散热基板对比

为对比三种不同散热基板的大功率LED散热情况，分别设置单个LED的发热功率为1 W和3 W，即总功率分别为25 W和75 W，按照图2所示模型均匀阵列排布。得到的LED最高结温及热阻如表2所示，其中热阻计算如下。

=(j－a)/（1）

式中：j为LED最高结温；a为环境温度；为LED芯片功耗。

由表2可以看出，铝制基板其芯片结温最高，其次为铜制基板，热管散热基板的结温最低，这一趋势与散热基板的导热性能相吻合，利用平板热管极佳的导热性能，可在自然对流的情况下降低结温达0.3~0.8℃。此外，热阻方面，采用平板热管的大功率LED总热阻明显低于铜、铝金属基板，利用相变传热原理的平板热管的散热效果优于常规铜、铝基板。

表2 不同散热基板的大功率LED热性能

Tab.2 Thermal performance of high-power LED with different base plates

三种散热基板的大功率LED温度分布如图3所示，可以看到，铜、铝散热基板的LED阵列温度分布呈现明显的不均匀，中心区域温度高于边缘；而平板热管由于其优异的均温效果，可实现良好的温度展平与热拓展作用，显著提高了LED温度分布的均匀性，有效避免了局部“热点”，从而避免大功率LED因局部高热流密度导致的热失效。由上面可以看到，平板热管良好的散热性能，能够很好满足大功率LED的散热需求，有望取代传统铜、铝等金属散热基板。

图3 25W LED散热器不同材料基板温度分布图

3.2 平板热管散热器不同功率热性能

为探究平板热管散热器在不同芯片功率下的热性能，采用图2所示的均匀阵列排布的大功率LED模型，分别设置单个芯片的功率为1，1.5，2，2.5，3 W，分别得到大功率LED阵列的总瓦数为25，37.5，50，67.5，75 W。通过模拟分析，得到LED平板热管散热系统的最高结温及热阻如图4所示。可以发现，随着LED功率的增大，大功率LED系统的结温呈持续增加趋势, 而热阻呈现出单调递减的趋势，在高功率情况下热阻显著降低，即平板热管散热系统在高功率情况下表现出更佳的散热性能。此时大功率LED系统的温度升高，与空气的自然对流换热增强，从而降低了系统的总热阻。图5列举了LED平板热管散热系统在芯片总功率分别为25 W和75 W的温度分布情况，随功率的增大，LED芯片呈现出类似的分布情况，但温度显著升高，对其散热设计提出了更高的要求。

图4 不同LED功率下平板热管散热性能

图5 不同功率下LED平板热管散热系统温度分布

3.3 LED平板热管散热系统优化

采用平板热管散热系统，固定LED芯片总功率为25 W，探究不同的LED芯片热源排布方式对大功率LED散热性能的影响，在Flotherm软件中建立起热源阵列分布、斜式分布、放射式分布、集中分布四个模型（图6）。通过对比其温度分布及结温情况，对LED的排布方式进行优化。得到的四种排布方式下的芯片温度分布如图7所示。可以看出，阵列分布的LED芯片温度分布最为均匀，其次为斜式分布，其相邻LED芯片的几乎不产生相互的热影响；而放射分布的LED芯片存在严重的温度分布不均匀，其在中心区域温度最高，边缘则温度较低。集中分布的LED热源集中在中间区域，其扩散到大面积的散热基板十分困难。四种排布方式的LED最高节温如图8所示，其高低顺序依次为：集中分布>放射分布>斜式分布>阵列分布。由此可以看出，在芯片总瓦数相同的情况下，阵列式分布使芯片产生的节温最小、温度分布较均匀，从而减小了大功率LED系统因为热应力分布均匀、结点温升导致的热失效，使LED照明设备的使用寿命增长，是较优的排布方式。

图6 不同LED芯片热源排布模型

图7 不同LED芯片热源排布温度分布情况

图8 不同LED排布最高结温比较

4 结论

通过数值模拟分析，针对大功率LED 模组的结构特点，建立了包含玻璃透镜、LED芯片、PCB板、导热硅脂、散热基板、散热翅片的三维模型，模拟大功率LED系统在自然对流条件下的散热情况。通过平板热管与常规铜、铝散热基板对比，证实了平板热管应用于大功率LED散热的优异效果，其在自然对流、芯片总功率为25~75 W的情况下可降低结温达0.3~0.8℃，使得LED温度分布更为均匀，能够很好满足大功率LED的散热需求。LED平板热管散热系统随着芯片功率升高，结温升高，而总体热阻降低。此外，针对四种不同排布方式的LED平板热管散热系统进行了对比分析，发现阵列分布其温度分布最为均匀，结温最低，是较优的排布方式，在实际大功率LED封装应用时可选择均匀阵列排布进行热设计。

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（编辑：陈渝生）

Simulation and optimization of high-power LED with flat heat pipe heat spreader

YE Xiangping1, LIU Yu1, HUANG Qingsong2

(1. Guangdong Huizhou Quality & Measuring Supervision Testing Institute, Huizhou 516003, Guangdong Province, China; 2. School of Aerospace Engineering, Xiamen University, Xiamen 361005, Fujian Province, China)

Flat heat pipe heat spreader was designed for the heat dissipation of high-power LED. The thermal performance of high-power LED in natural convection conditions was simulated by the Flotherm simulation software. It is found that the flat heat pipe reduces the junction temperature and thermal resistance compared to the conventional copper and alumina heat spreader. The thermal performance of LED with flat heat pipe heat spreader under different heat power conditions was also explored. Furthermore, four types of arrangement of the LED chips were also designed and compared for the optimization. The results indicate that the uniform array configuration induces the best uniform temperature distribution and the lowest junction temperature, and seems to be the optimum choice for high-power LED.

high-power LED; heat dissipation; flat heat pipe; simulation; optimization; junction temperature

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.10.007

TN312.8

A

1001-2028（2017）10-0041-05

2017-07-20

黄青松

广东省惠州市产学研结合项目（No. 2014B050013002）

叶祥平（1963－），男，广东惠州人，高级电子工程师，主要从事光电产品检测方法与研究，E-mail: 26725232@qq.com ；黄青松（1989－），男，河南商丘人，研究生，主要从事LED高效散热器件制造及应用，E-mail: xmdxhqsjy@163.com。

2017-09-27 10:57

网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170927.1057.007.html