照明用大功率LED散热研究

　　电子器件照明用大功率LED散热研究刘雁潮12，付桂翠〃，高成\李细辉2，王史杰2 1.北京航空航天大学工程系统工程系，北京100083；真分析和热评估试验验证了所采用的散热方法和设计的散热器满足LED阵列的散热要求。

　　付桂翠，女，博士，副教授，主要研究方向为电子元器件热设计热分析应用技术；1994-高1成男博士高工主要研究厌e为t电子厉件11靠性设计与应s用技术ed.http://www.cnki.net在节能和环保两大需求的强力推动下，LED的应用己从早年的指示、显示和装饰逐步走向照明领域。大功率LED照明的实现方法主要有两种：一是直接封装5W以上的超大功率LED芯片；二是通过多颗LED组合成超大功率LED阵列。超大功率LED芯片主要从国外或台湾进口，价格很高。相比之下小功率芯片不仅国内货源充足，组合成同样的功率价格也相对较低111.除此之外，多芯片LED阵列还有的优势：通过不同LED芯片的串并联组合，可以实现各种不同的额定电压和电流，更好地适应驱动器设计；单位面积的芯片数可多可少，可以封装成各种不同的点和面光源；可以加入不同颜色的发光芯片，实现情景照明。

　　目前，比较成熟的商品化的大功率LED输入功率一般为1W，芯片面积1mmX1mm，其热流密度达到了100W/cm2.如此高的热流密度，如不采取有效的散热措施，会使LED芯片结温过高，减少芯片出射的光子，发光效率降低；另一方面，结温的升高还会使芯片的发射光谱发生红移，色温质量下降，尤其是对基于蓝光LED激发荧光粉的白光LED器件更为严重，荧光粉的转换效率也会随着温度升高而降低121.因此，对大功率LED进行散热研究具有重要的理论和工程价值。

　　1大功率LED的封装结构大功率LED的典型封装结构见。LED芯片用高导热银胶贴装在黄铜或铝等高导热率的内部热沉上，芯片电极通过金线与引线框架连接，芯片外部用硅橡胶或者其他热稳定性、绝缘性好以及光学透明的树脂材料封装，热沉四周用塑料材料封装；后整个LED器件用高导热银胶贴装在金属基线路板上131.这种采热通路和电通路分离的设计方式，更便于散热方案的设计和实施。

　　2大功率LED的热设计为保证大功率LED的正常工作，需通过有效的热设计保证LED的工作结温在允许的温度范围内。

　　对一般的LED来讲，在生产工艺阶段靠器件内部、封装和管壳的热设计就可以解决散热问题。但对大功率LED，―般还需增加有效的外部散热措施。肋片式散热器能有效地增加散热面积，提高散热效果，在自然对流情况下，功率器件广泛的采用肋片式散热器来辅助散热。合理地选用、设计散热器，能有效降低大功率LED的结温、提高发光质量和延长使用寿命141.大功率LED的热设计流程见。

　　产工艺阶段保证的，这里重点介绍使用过程中的热设计。

　　首先根据大功率LED正常工作时的性能参数和环境参数，如环境温度、LED的功耗和热阻等，计算LED结温是否工作在安全范围之内，判断是否需要安装散热器进行散热。在需要安装散热器进行散热情况下，初选散热器，重新计算LED结温，判断LED结温是否在安全范围之内，所选散热器是否满足要求。对于符合要求的散热器，根据实际工程需要判断是否进行优化设计。

　　LED散热系统的传热模型大功率LED装上散热器后，其散热途径将会有所变化。内热阻Rp保持不变，热量一方面通过外壳和封装透镜直接向周围传递，其热阻为Rtp；另一方面热量通过底部粘结层传给金属线路板，外部热沉与金属线路板间的热阻为Rc-h，再由线路板通过粘结层传给散热器，金属线路板与散热器间的热阻芯片内部的热设计和封装的热设计是通过生热阻网络模型1994-2015ChinaAcademic为Rh，然后由散热器再把热量发散到周围空间，散热器到周围环境之间的热阻为R，其热阻网络如所示151.封装透镜材料或者硅橡胶和热沉四周的塑料材料导热率极低，当外壳和透镜本身到周围环境的散热可忽略不计时（即Rtp +Rh-s+Rs-a）），可简化为。图中：T为大功率LED芯片的结温；Tc为壳温（内部热沉底部的温度）；h为金属线路板的温度；Ts为散热器高温度点的温度；Ta为环境温度；d为器件耗散的功率。根据热电模拟法，系统的总热阻R「a和LED芯片的结温T可由公式（1），（2）得到。

　　4某大功率LED阵列的散热设计4.1阵列简介大功率LED阵列的基本结构见。

　　9颗白光LED和9颗用于情景照明的RGB芯片间隔贴装在长方形的铝制线路板上。其中白光LED采用蓝宝石衬底的GaN蓝光芯片激发黄色荧光粉产生白光，每颗功率1W；RGB内部封装了红、绿、蓝三色芯片，可控制单独发光实现情景照明，全部发光则组合成白光，每颗总功率也为1W.阵列中PCB板作LED器件电极连接布线之用，铝芯夹层作为热沉散热，电流通路与热流通道各自独立。LED和RGB芯片内部热阻为8°C/W，高允许结温为125考虑到工作可靠性和LED结温对寿命的影响，采用可靠性设计中的三级降额设计，热设计目标为LED芯片的结温不超过105°66. 4.2热设计方案这种散热器结构成本低廉、结构简单、便于制成模具进行大规模生产；并且铝有极高的热导率，具备良好的散热效果166.上方两个肋片是为灯具外形设计需要，在增加散热面积的同时，用于支撑上方取光的透明材料。散热器的几何参数见表1所示。

　　表1散热器的几何参数单位：mm肋片位置肋片个数肋片厚度肋片高度肋片间距基座厚度基座上方基座下方4.3热设计结果的仿真分析采用ICEPAK热分析软件对热设计的结果进行仿真分析。在ICEPAK中建立热分析模型。主要由热源、金属线路板和散热器组成。因为LED内部热阻是一个固定值，模型中把每只大功率LED考虑成一个热源，不考虑内部结构。对流模式为空气自然对流，空气的自然对流系数取平均值7.5WAm2K）考虑到LED阵列可能会在各种环境工作，环境温度设为40C；LED阵列中各材料导热系数见表2181.表2LED阵列中各材料的导热系数材料蓝宝石GaN铝银胶黄铜导热系数/由于对流换热和辐射换热起的作用较小，采用文中所示的简化等效热阻网和公式（1）代入数据计算LED芯片的结温。

　　=40C计算得：为了验证仿真结果，对该大功率LED阵列进行阵列放在恒温箱中连续工作12h，采用16路接触式测温系统测量选定点A、B、C的温度，测温结果分别为58.1°C、56.8°C和57. 5比仿真结果稍低，但是在允许误差范围内，热试验结果验证了仿真结果的正确性。

　　热试验测温点分布5结论对于大功率LED器件，由于其输入功率的进一步提高，更多的热量需要有效地耗散掉，因此大功率LED器件的散热问题对于LED的发展是一个挑战。本文在研究了大功率LED的封装机构、热设计方法和传热模型的基础上，对某大功率LED阵列进行了散热设计。经过仿真分析和实验验证，为LED阵列设计的铝制肋片结构散热器，在40°C的环境中所有芯片全负荷工作的情况下，可以将芯片的高结温控制在70°C以内，较好地满足了工程的需要。