功率型LED模组基板横纵向散热性能研究

　　随着LED制造技术的不断成熟，LED的应用已经由原来的显示领域逐步进入到照明领域。随着对LED亮度要求的不断提高，驱动LED需要更多的电能。然而，LED的发光效率依然很低，例如绿光LED芯片的发光效率只有3040，也即是近6070的电能转换为热能2.如果这些基金项目：广东省战略性新兴产业专项资金LED产业资助板能够有效地提高LED模组的散热效率。

　　由于LED芯片所产生的热量在基板的横向和纵向上都有所传导，但两个方向上的散热效果却不尽相同，本文将对其进行研究。选取普通基板上铺有高导热层和普通基板内含有热沉的结构作为横向和纵向散热的研究对象，而且这两种基板结构在实际应用中比较常见。再运用有限元分析（FEM）工具，对两种基板结构的散热效果以及基板和LED芯片温度分布的均匀性进行分析讨论，并由此得出加快基板的横向散热能够更加有效地提高基板的散热性能。后，对于一定功率的LED模组，并结合实际工艺的需求，运用FEM工具对高导热层的厚度进行了优化。

　　1理论模型1.1有限元分析理论众所周知，热量传递有热传导、对流传热、辐射传热三种基本方式。由于LED芯片为固体发光光源，其温度一般低于200 C，所以其向四周的热辐射很微弱，因此对LED散热进行分析时可以忽略因热辐射损失的热量，LED产生的热量主要依靠传导和对流的方式散发出去。因此，在LED模组结构中的主要理论依据为三维热传导方程。

　　在三维直角坐标系下的瞬态温度场的分布满足LED芯片在正常工作时，所消耗的功率不会随时间而改变，所以只考虑稳态热传导方程即可，T 9ZT其中，T为温度，h为热导率，Cp为比热容，p为密度，P为热源单位体积内的功率。

　　LED模组的组成为多层结构，分别为LED芯片、粘接剂、导热基板、粘接剂、散热器等，所以还需要考虑每层界面之间热流量和温度的连续性以及散热器和空气的对流条件，以LED模组的纵向结构为轴方向。

　　其中，z表示LED模组从上到下的界面数，h为第z层的热导率，T为第z层界面的温度为热对流系数，T为散热器外表面温度，Ta为环境温度。

　　根据的优劣。因此采用有限元分析的方法，模拟计算不同模组结构的温度分布，由此来对比不同模组结构的综合散热性能。

　　1.2有限元模型的建立模型1如所示，为常见的没有添加任何高导热材料的功率型LED模组的有限元模型，LED芯片通过粘接剂粘接在散热基板上，其中LED芯片为整个系统的热源，并将模型当中的LED芯片依次编号。为了使所建立的模型更加符合实际情况，具体参数设置如下。

　　y粘接剂I一LED芯片基板LED芯片粘接剂LED模组俯视和剖面5mm，单颗LED芯片的热导率为160W/mK，功率为1W，基板上共排布3X3阵列LED芯片，LED芯片之间的距离为10mm.基板上面敷有薄层银胶，厚度为20ym，其热导率为20W/mK.导热基板的尺寸为40mmX 2mm，用热导率较高的PCB板材作为典型的导热基板进行有限元分析，其热导率为10W/mK.有限元模型2的剖面图如所示，为基板上面敷有高导热层结构，模型2除了在基板上含有高导热层外，其他结构参数和模型1相同。基板厚度和高导热层厚度之和为2mm.其俯视图如。

　　有限元模型3的剖面图如所示，为常见的基板内含有热沉的结构，模型3是在模型1的基板内添加圆柱型热沉而得到。热沉贯穿整个基板并且直接位于LED芯片的正下方。模型3的其他结构参数和模型1相同。其俯视图如所示。

　　仿真所用的模型，普通散热基板为PCB板，高导热层和热沉均为铜，粘接剂为银胶。由于LED芯片的上表面和侧面以及银胶的上表面存在封装材料，这些封装材料的导热能力很差，因此LED芯片所产生的热量向上的传导很少，热量主要通过银胶在基板内传导，并传导至散热器再由散热器和空气对流传导出去。

　　2仿真结果与分析2.1两种模型散热效果的对比模型2、如、所示，划分好网格后，再添加负载和边界条件。设LED的光能转换效率为20，则加在芯片上的热功率密度为5.；设置银胶和芯片的上表面和侧面为绝热面，环境温度为25 C，基板侧面的热交换系数为25W/ C），环境温度为25 C.基板的底面由于需要外接大的散热器，将散热器用等效热交换系数和等效温度代替。

　　在模型建立时，设置模型2铜层的体积和模型3所有的铜热沉体积保持相同。通过仿真得到两者在不同的铜体积下的温度分布云图。由于5芯片受其他芯片的影响，温度高，以此为标准来衡量基板散热效果的好坏。提取含有不同的铜体积下5井芯片的温度，并绘制成曲线，如所示。

　　从得到的仿真结果可以看出，随着含铜量的增加，两种结构中5芯片的温度都下降，并且温度下降的趋势在逐渐变缓。对于固定的铜的体积而言，基板上覆盖铜层结构中的5芯片的温度比基板内含铜热沉结构要低3C左右。可见，加快基板的横向散热比加快其纵向散热的散热效果更好。

　　2.2两种模型的基板和芯片温度均匀性对比为了分析热量在基板上表面扩散的均匀性，分别在模型2和模型3上设置路径A，如所示。设置两者含铜的体积为160mm3，然后提取路径A各点的温度，绘制成如的温度曲线。

　　图中所示的三个尖峰处即为LED芯片所放置的位置，因为LED芯片为热源，温度相对较高。由仿真结果可知，在基板上覆盖铜层的结构，其LED芯片的温度比基板内添加铜热沉的结构要低，并且前者LED芯片周围的温度分布更加趋于平缓，温度梯度较低。因此，前者基板表面的温度分布比后者更加均匀，热量扩散的更加广泛。

　　对于两种基板结构中芯片温度分布的均匀度可以用标准差来衡量，如果标准差相对较小，说明芯片总体温度的均匀性较好，也即是芯片之间的温度相差很小；反之，则结果相反。提取不同的铜体积下每颗芯片的温度，然后通过标准差公式计算出标准差，得到如的结果。

　　从仿真的结果可以看出，随着含铜量的增加，两种基板上的LED芯片的温度的标准差都在下降，但从总体上看，基板上覆盖铜层结构的芯片温度的标准差更小，也即是芯片之间的温度均匀性更好。因此，LED芯片阵列当中不会出现因某些芯片温度过高而导致失效。同时也可说明，加快基板表面的横向散热比加快基板的纵向散热更能够减小芯片之间的温度差异，降低因温度过于集中而失效的几率。

　　2.3高导热层厚度的优化从上面对两种基板散热性能的对比分析可知，在基板上面覆盖铜层比在基板内添加铜热沉的散热性能更好，但是铜层的厚度会进步影响基板的散热能力，因此有必要对铜层的厚度进行优化处理，以适应实际情况的需要。在模型2当中改变铜层的厚度，再进行仿真，并提取1 9芯片的温度，计算出每个厚度所有芯片的标准差，并绘制成曲线，如所示。从仿真的结果可以看出，PCB基板上覆盖铜层可以明显地降低基板上LED芯片的高温度和提高LED芯片之间温度的均匀性，并且随着铜层厚度的增加LED芯片的高温度和芯片温度的标准差的降低速度均变缓，终趋于平缓。

　　综合考虑铜的用量和散热效果以及芯片温度分布均匀性的问题，可以将铜层的厚度设置在0.20.4mm之间，这样既可以在很大程度上提高基板的散热性能，又不至于过多地使用铜，节省原料成本。对于由金属基板做成的功率为上百瓦的LED模组，只要在基板上覆盖更好的导热材料即可，如银、金刚石膜等，通过优化高导热层的厚度，便可有效提升原有基板的散热能力。

　　3结论本文以常见的PCB散热基板为例，分别建立了两种有限元模型，即基板上覆盖铜层和基板内添加铜热沉的结构，分别加快基板横向和纵向的散热，并运用有限元分析（FEM）对两者的散热效果以及基板和LED芯片温度分布的均匀性进行了研究。在两种基板所用铜的含量相同的情况下，基板上直接覆盖铜层的散热性能比在基板内添加铜热沉更好，加快基板的横向散热对提高基板的散热性能更有帮助；并且前者的制作工艺更加简单，在生产过程中更容易实现。后，进步借助有限元分析，优化了基板上铜层的厚度。