大功率LED模组散热基板结构研究

　　LED是一种新型半导体固态光源，具有使用寿命长、效率高、稳定性好和功耗低等优点，广泛应用于照明、显示等领域。目前，大功率LED照明应用仍然存在诸多问题，散热即是其中之。现有技术下的大功率LED只能将输入功率的1015左右转换为光能，而将余下的8590的能量转换为热能2.如果LED所产生的热量不能及时有效地散出，就会导致芯片发光效率低下、使用寿命短，以及色温漂移等问题3.室外照明LED灯具因单颗LED输出的亮度有限，大部分都使用了几十甚至上百颗LED组装成光源模组4.在散热方面，大功率LED的基板结构对其散热性和可靠性都有着至关重要的影响。可以说LED散热问题直接关系到其推广应用。

　　本文首先根据实际灯具结构，建立相应的三维有限元模型，并通过推导二维热传导方程，得出温度在基板上的分布函数，再根据温度分布函数的特点，确定热量在散热基板内的主要传导路径，由此设计了新型基板结构，以提升散热性能；然后，采用有限基金项目：广东省战略性新兴产业专项资金LED产业资助项目（CXY2011053）。

　　元法（FEM）对三维结构的有限元模型进行温度场模拟计算，得到芯片周围基板的温度随距离的变化曲线，并结合理论分析结果，在LED芯片周围嵌入高导热环结构；后，通过有限元分析，对高导热环在LED芯片周围的位置和横向宽度进行优化设计，并结合实际工艺，使导热环结构参数和基板的散热效率达到优。

　　2理论模型与仿真bookmark2所示为常见大功率LED模组的有限元模型剖面。LED芯片通过粘接剂（银胶）粘接在散热基板上，其中，LED芯片为整个系统的热源。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，产生的热量主要依靠传导和对流的方式散发，因此忽略热辐射损失的热量。LED芯片上面和侧面存在封装材料，这些封装材料的导热能力很差，因此，LED芯片产生的热量向上传导很少，主要考虑热量向下传导。此外，基板的横向宽度比纵向厚度大很多，热阻也会随距离而增大，LED芯片产生的热量在基板的横向传导有限。由上述分析可知，LED芯片产生的热量主要依次向下传导给粘接剂、散热基板和散热器，再通过散热器与空气对流将热量散发出去。

　　由于LED模组基板的横向长度远大于纵向长度，为了便于理论分析，只考虑横向二维的热传导情况，并忽略掉粘接剂的影响，热量在同一介质中的传导方程为：为了便于求解，将本模型看作中心含有稳定热源的圆片，忽略圆片的厚度，且圆片的上下表面绝缘，中心热源产生的热量向两边传导。将（3）式化为极坐标形式：利用边界条件，可得：t0为圆片边界上的温度，此外，因为自变量p，的取值范围分别是与，而圆片内部的温度值不可能为无限，并且（p，）与（p，+2n）实际上表示同一点，温度相同，有：上述方程为二维泊松方程，终解得：以上是对LED模组热传导过程的简要分析，其理论依据为热量在介质中的传导方程。在直角坐标系下，非稳态热传导方程为：由上式可以看出，圆片内的温度与半径为二次函数关系。由其性质可知温度梯度的变化随距离而增大，故温度的变化主要集中在热源的周围。实际中，LED模组的热传导路径主要为纵向方向，因此，在温度集中的热源周围加强纵向热量传递，是有效改善模组散热的措施。

　　基于上述对热量传导路径的分析，为了提高热量在传导路径上的效率，将一导热率更高的导热环嵌入到基板内，高导热环位于芯片正下方，且贯穿基板的上下面，如和所示。本文仿真所用模密度，P为热源单位体积内的功率。LED芯片在工作时可以看作稳定的热源，因此，只分析热稳定的情况，令（1）式等号右端项为零，即可得到稳定的热传导方程：型的散热基板为PCB板，高导热环为铜环。模型仿真过程中，将基板下表面的散热器用等效的热对流系数替换；粘接剂的上表面和芯片的上表面以及芯片周围的四个面设为绝热面，使热量只向下传导。，（bookmark5基板，一高导a热环LED芯片导热环宽度在LED芯片周围欺入高导热环的俯视仿真结果与分析3.1LED模组温度场的分布考虑到实际模型为三维结构，若要得到热传导方程的解析解十分繁琐，而且计算精度不高。因此，采用有限元（FEM）分析方法进行模拟计算，得到温度场的分布。

　　上面排布3X3阵列LED芯片，LED芯片之间的距离为5mm，模组总功率为9W.基板上面铺有薄层银胶，厚度为10ym，其热导率设为40W/mK.导热基板的尺寸为40mmX40mmX1.5mm.用PCB板作典型的导热基板进行有限元分析，其热导通过有限元软件，对建立好的模型进行仿真，得到温度在基板内的具体分布，提取中心芯片周围2.5mm范围内的温度随距离的分布情况，如所示。

　　从仿真结果可以看出，当距离大于0.基板表面的温度梯度随距离的增加而逐渐减小，当距离大于1.5mm后，温度变化趋于平缓。曲线中包含两个拐点，个拐点在0.5mm处。此处出现拐点是因为芯片的尺寸为1mmX1mm，当距离小于0.5mm时，基板刚好位于芯片的正下方，其温度受芯片本身温度的影响，几乎不变；当距离大于0.5mm后，此处基板则位于芯片的周围，由于距离增加，热阻增大，基板温度随即降低；第二个拐点的出现使温度的变化趋于平缓，出现第二个拐点是由于散热基板的厚度有限，芯片产生的热量主要向导热基板的下面传导，而热量的横向传导有限所致。由以上分析可知，LED芯片周围的温度集中在0. 51.5mm的范围内变化。

　　通过有限元分析得到的温度随距离的变化与理出现了第二个拐点，使基板的温度变化趋于平缓，这是由于散热基板的厚度有限所致。

　　根据以上对LED芯片周围温度场分布的分析，为了改善热导率较低的散热基板（PCB板）的散热特性，在芯片周围的散热基板上嵌入热导率更高的导热环，高导热环以铜环为例，铜的热导率为401W/mK，并设定高导热环的宽度为0. 2mm，内环宽度为0.5mm，如所示。再通过有限元分析得到温度在基板内的具体分布，沿中的路径A提取温度随距离的变化曲线，并与基板上未嵌入高导热环的情况进行对比，结果如所示。通过对比可以看出，基板内嵌入高导热环后，基板上LED芯片温度平均下降10°C左右。在LED芯片周围的基板内嵌入高导热环结构，明显地提升了基板的散热特性。

　　在原基板上引入高导热环结构，基板的散热效果能够得到明显的提升，但散热效果的提升度与高导热环的内环宽度和导热环宽度有关。下面分别讨3.2内环宽度对基板散热性能的影响首先，设定高导热环的位置，由于高导热环为方形环状结构，用内环宽度即可表示出高导热环的位置，如所示。在建模过程中，高导热环的内环宽度以0.3mm为步长，逐渐增加到2.0mm，又由于芯片的半宽度为。5mm，所以内环宽度以0.5mm为起点，并设定高导热环的宽度恒为0.2mm，然后再分别进行有限元分析，便可得到内环宽度与LED模组芯片高温度的关系，如所示。

　　LED芯片高温度随高导热环内环宽度的变化从有限元分析结果看，模组芯片的高温度先随内环宽度增加，后变化范围很小，基本趋于稳定。因此，高导热环的宽度好设置在0.5mm处，即在LED芯片周围不留间隙，直接嵌入高导热环，可达到好的散热效果。

　　3.3高导热环宽度的优化在LED芯片周围的基板上嵌入高导热环结构，能够很好地改善基板的散热能力。但高导热环的宽度会进步影响基板的散热性能，因此，必须对基板的宽度值进行优化，根据不同的需要选择适当的宽度。根据以上内环宽度对基板散热性能影响的研究结果，建模过程中，设定高导热环的内环宽度为0. 5mm，而高导热环的宽度以0. 2mm的步长增加，厚达到1.8mm.仿真计算后的结果绘制成曲线，如所示。可以看出，当基板内嵌入高导热环后，LED芯片温度下降十分明显，但随着高导热环宽度的增加，LED芯片温度呈线性下降，且高导热环的宽度每增加0. 2mm，LED模组芯片的高温度下降2°C左右。

　　考虑到实际工艺操作的精度问题，以及在基板内填充高导热材料的量的问题，可以将高导热环的宽度设置在1mm左右的位置。LED芯片的温度下降20C左右，这样设置高导热环的宽度，不但与实际的工艺相兼容，同时也保证了LED模组芯片的温度与未使用高导热环的基板相比有大幅度的降低。

　　4结论在常见的散热基板上嵌入高导热环结构，可提升基板的散热能力。根据实际情况，建立三维有限元模型，运用有限元（FEM）分析方法，对LED模组的温度场分布进行数值计算，并加以实际工艺条件的考虑，由此确定高导热环的优化结构参数。从仿真结果可以看出，LED芯片温度能够降低20C，基板的散热能力得到明显改善。本文设计方法同样适用于基板由铜板做成的功率上百瓦的LED模组，只要在LED芯片周围嵌入更好的导热材料，如钻石等，便可有效改善原有基板的散热能力。