大功率紫外LED水冷设计及模拟优化

王 杰 ，李 健 ，范冰丰 ，王 钢 ，3

（1.中山大学 电子与信息工程学院，广东 广州 510000；2.中山大学 先进技术研究院，广东 广州 510275；3.光电材料与技术国家重点实验室，广东 广州 510275）

1 引言

LED半导体芯片具有体积小，重量轻，寿命长，引出线和焊接点少，安全性和稳定性高等优点，同时成本低，便于大规模生产和应用[1-2]。但芯片集成度变得越来越高，功率变得越来越大的同时也带来了许多问题，如电路板在运行过程中的散热问题，如果不能将功率器件产生的热排除，半导体结温升高，会使得器件可靠性急剧下降甚至失效[3-6]。近年来紫外LED[7]芯片技术和封装技术得到了快速发展，许多国家和地区都争相投资研发紫外LED光源，这也将进一步推动有关光电子、材料、器件、芯片制造及封装等行业的发展。紫外LED相比传统光源具有发光效率高、显色性好、辐射低、灵敏度高、节能环保等特点，在特殊照明、紫外杀菌、水净化、医疗，尤其是在紫外光固化[8-9]等领域具有广泛的市场应用前景。

目前紫外LED的光辐射功率还比较低，大功率紫外LED的电光转换效率约为（15～20）%，剩余的电能全部转化为热能，而且LED芯片大小仅为（1×1）mm左右，导致其热流密度非常大。如果芯片产生的大量热量集中在芯片内部而不能及时排除，就会导致芯片PN结温度过高，引起光衰和芯片寿命下降等问题。当芯片PN结温度超过一定值时，LED的失效率将呈指数规律急剧增大，芯片温度每升高2℃，伴随着可靠性下降10%左右[10]。为了保证LED的正常工作，一般要求芯片PN结的温度不高于110℃（Tk=383.15K），且温度分布均匀，所以一方面要提高芯片的质量，另一方面要改进封装过程中大功率芯片带来的散热问题。水冷板是当前最常使用的用于给高热流密度集成器件散热的设备，具有散热效果好，噪声低，体积小等优点[11-12]。水冷板散热模型，芯片中集成了大量的LED半导体器件，黏贴在基板上，基板一方面方便传递热量，另一方面避免水冷板与芯片直接接触，阻止水冷板中的冷却液与芯片接触导致短路破坏芯片，如图1所示。基板嵌入水冷板中，芯片产生的热量通过基板传至水冷板，再通过其中的冷却液带走。

图1 水冷板结构图Fig.1 Structure of Water-Cooled Panel

系统中水冷板材料为Al，基板材料为Cu，冷却液入口和出口处的材料为Cu，其材料性能参数，如表1所示。

表1 材料铝和铜的性能参数Tab.1 The Performance Parameters ofAluminum and Copper

2 水冷板芯片温度的理论计算

2.1 雷诺数计算

式中：v、ρ、η—流体的流速、密度与粘度；d—管道直径。

Re＜2300 为层流状态，Re=（2300～4000）为过渡状态，Re＞4000为湍流状态，Re＞10000为完全湍流状态（实践中Re＞3000即可判断为湍流）。水的物理参数，如表2所示。管道直径取水流出入口直径0.01m，流速最小值和最大值为0.5m/s和2.5m/s。得到v=0.5 0m/s时，Re=998.2*0.5*0.01/（1.003*10e-3）=4976。v=2.5m/s时，Re=998.2*2.5*0.01/（1.003*10e-3）=24880。Re≥2300，属于湍流状态。

表2 水的主要物理参数值Tab.2 The Main Physical Parameters of Water

2.2 水冷板温度计算

水冷板的初始条件为：芯片的热耗散功率为1800W，冷却液为水，进口水温为300K，入口管道横截面面积为7.8×10-5m2，管径为0.01m。水冷板基板表面的推算温度为：

式中：t—冷却水初始温度，即进口水温；Δt1—冷却水的温升；Δt2—基座与冷却水的温差；Δt3—基板与基座的温差。

入口流速为1m/s时，则冷却水的入口流量为：

式中：S1—入口管道横截面面积。

式中：φ—芯片的热耗散功率。

水的雷诺数由Re=ρvd/η计算得到，Re=9952。水侧换热系数：

水冷板的换热面为长方体的内表面，其表面积S2为0.0208m2。

基座到基板表面的材料为铜，其导热系数为K=398W/（m·K），热传导长度为基板厚度ΔL=0.0025m。

式中：A—换热面积即芯片与基板的接触面积。

最后得到基板表面温度为：

同样可以计算得到流速为 0.5m/s，1.5m/s，2m/s，2.5m/s时的水冷板基板温度，如表3所示。

表3 不同流速下的水冷板基板温度计算结果Tab.3 Calculation Results of Water-Cooled Panel Substrate Temperature in Different Flow Rates

3 数值模拟

3.1 建立模型

设计的两种模型，如图2所示。水冷板模型Ⅰ的冷却液出入口在水冷板同一侧，而水冷板模型Ⅱ的出入口在两侧，水冷板中都加有波纹管，有效增大了基板和冷却液的接触面积，有利于散热[13-14]。通过研究对比基板表面最高温度和平均温度来确定最佳模型。

图2 两种水冷板模型Fig.2 Two Kinds of Water-Cooled Panel Model

3.2 网格划分

采用Icem CFD软件将这两个模型划分为四面体网格，水冷板模型Ⅰ划分网格总数为1857 201，节点数为377 773；水冷板模型Ⅱ划分网格总数为1774 634，节点数为361 549。

3.3 数值模拟

流体流动要受物理守恒定律的约束，基本的守恒定律包括：质量守恒、动量守恒、能量守恒[15-16]。单位体积内流体的总能量即为动能与内能之和。

3.3.1 质量守恒方程（Mass conservation equation）

质量守恒：控制体内质量的增加=流入控制体的质量

3.3.2 动量守恒方程（momentum equations），也称运动方程

动量守恒：控制体内的动量增加=流入的动量+表面力的冲量+体积力的冲量。表现为：

式中：μ—动力粘度；Su、Sv、Sw—动量守恒方程的广义源项。

3.3.3 能量守恒方程（energy conservation equation）

能量守恒：控制体内的能量变化=流入的能量+表面力做功+体积力做功+传入热量。

式中：Cp—比热容；T—温度；k—流体的传热系数；sT—流体的内热源。

上述方程中，当时间项为0时，即为稳态模拟，当时间项不为0时，即为瞬态模拟。在Fluent中选择压力基稳态计算，开启能量方程Energy和湍流模型k-epsilon，确定边界条件，边界条件，如表4所示。Fluent中对压力、速度耦合使用SIMPLEC算法，对动量和能量等选择Second Order Upwind，选择控制体积法进行离散计算。

表4 模拟边界条件Tab.4 Simulation Boundary Conditions

3.4 两种水冷板模型在相同工况下的对比

水冷板在1m/s入口流速下的速度和温度云图对比，如图3、图4所示。通过对比云图可以看出，在不同模型水冷板中冷却液的流动流速分布区别较大，虽然两者在散热面积上是一样的，但水冷板模型Ⅰ中冷却液在水冷板中的流动路径更长，流动范围更广，几乎是水冷板模型Ⅱ的两倍，有充分的时间可以带走更多的热量，且芯片中央温度分布更加均匀，所以水冷板Ⅰ的散热效果更好。

图3 水冷板在1m/s入口流速下的速度云图Fig.3 Velocity Contours of Different Model Under Inlet Velocity of 1m/s

图4 水冷板在1m/s入口流速下的温度云图Fig.4 Temperature Contours of Different Model Under Inlet Velocity of 1m/s

模拟得到的具体数值，如表5所示。水冷板模型Ⅰ的板面平均温度和最高温度均低于水冷板模型Ⅱ，但水冷板模型Ⅰ压降也远高于水冷板模型Ⅱ，水冷液传输路径的增加消耗了更多的能量。

表5 水冷板模型Ⅰ和模型Ⅱ在流速1m/s的模拟结果Tab.5 Simulation Results of ModelⅠandⅡUnder Inlet Velocity of 1m/s

3.5 水冷板Ⅰ的模拟结果

水冷板Ⅰ在各流速条件下模拟得到的具体参数，如表6所示。平均温度和最高温度的数值大小显示了水冷板的散热效果；而冷却液出入口的压降是流体在管中流动时由于能量损失而引起的压力降低，其数值显示了水流流动消耗能量的大小。

表6 水冷板Ⅰ在不同流速下的模拟结果Tab.6 Simulation Results of ModelⅠUnder Different Inlet Velocity

从模拟结果可以看出，水冷板模型Ⅰ的板面温度随着入口流速的增加而逐渐下降，随着流速增加，压降成倍增加的同时水冷板温度却下降平缓，而水流速度过大不仅需要更高功率的水泵，同时也会产生大的噪音，并且造成水电浪费，所以说在满足芯片降温的前提下选择流速较低最合适。

4 计算和模拟结果对比分析

对比表3和表6，其冷却液流速与板面温度关系曲线如图5所示，理论计算数值和仿真结果的数值变化趋势基本保持一致，温度都随着流速的增加而下降，而且数值相差不大。在低入口流速0.5m/s下由于冷却液流量很小，随着入口流速的增加，流量变化很剧烈（增加了一倍多），所以冷却水温升在低流速下发生陡变，随着流速的逐渐增加流量变化逐渐平缓，温度计算数值值更加趋近于模拟数值。从图5也可看出随着流速的继续增加，曲线的趋势越来越接近。

图5 水冷板基板表面温度计算值与模拟数值曲线图Fig.5 Water-Cooled Panel Surface Temperature Calculated Value and Simulation Value Graph

计算结果和模拟数值的差值率，如图6所示。最大误差仅为3%，且入口流速在1m/s后曲率持续降低，计算值和模拟数值差异越来越小，说明计算值和模拟数值拟合得很好，同时也验证了水冷板模型设计的正确性。

图6 计算值与模拟值差值率Fig.6 Rate Difference of Calculated Value and Numerical Simulation Value

5 结论

（1）水冷板理论设计有一定的局限性，通过模拟数值和理论计算数值对比，最大误差仅为3%，相互验证了模拟结果和计算结果的可靠性，为设计优化水冷板水道提供了指导。（2）芯片中央区域的温度分布较为均匀，温度差最大为4K。说明了用该水道散热设计的合理性，增加冷却水流路径可以有效的提高水冷板散热能力，从单水道到U型水道散热效果有很大提升。（3）此水冷板水道随着流速增加温度下降不明显，但是所需压力却成倍数增加，因此在考虑在芯片温度承受能力的基础上进行降低进水流量设计。

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