大功率LED灯珠与散热器直焊结构散热效果分析

　　大功率LED灯珠与散热器直焊结构散热效果分析柴伟伟，陈清华12，李琳红，唐文勇，张学清，贺志强（重庆大学动力工程学院，重庆400030）器表面喷涂铜层，实现了LED灯珠与散热器的直焊，取代了目前使用导热硅胶等热界面材料压接的方式，有效地消除了压接产生的接触热阻，显著改善了散热效果。通过建立LED灯具的三维模型，采用CAE软件模拟和。

　　从冷喷涂铜层的切面显微结构来看，喷涂的铜粉和铝合金基板的结合比较好，没有空隙。虽然与传统的压接结构相比，焊接结构多了一层铜涂层，但其厚度只有零点几毫米，导热热阻小到可以忽略；而优点则是通过灯珠与散热器的焊接，消除了压接产生的接触热阻。

　　铜涂层铜涂层的剖面数值模拟分析3.1模型的建立焊接结构的LED灯具采用单颗大功率LED，其自顶向下由灯罩、LED芯片、焊料、冷喷铜涂层和散热器组成，如所示。芯片为20mmX20mm的铜基板上布置1mm X1mm大小的氮化稼半导体9个，焊料为无铅锡膏。冷喷铜涂层直径为40mm，厚度为0.12 mm.太阳花散热器直径为120mm，厚度为20 mm.以单颗LED芯片的输入功率分别为10，15，20 W进行计算，数值模拟时取大值90的功率转换为热量。

　　使用CAE软件对LED灯具在自然对流情况下进行模拟，环境温度设为25°C，各部分材料的导热系数如表1所示。

　　表1材料导热系数组件材料导热系数“贾-瓜-1散热器灯罩铜涂层冷啧涂铜160（，总节点数约145万个，总单元数约63网格划分示意。2数值模拟结果在恒定环境温度条件下，LED灯具的温度在2h内就能达到稳定0，故CAE软件模拟时采用稳态热分析模块。输入功率为1W时LED的焊接及压接结构的CAE软件模拟结果分别如和7所示。

　　焊接结构温度分布压接结构温度分布从iw的模拟结果可以直观地看出，焊接的芯片的高温度比压接的低，说明焊接的散热效果比压接的好。表2给出了输入功率分别为10，15，20w时模拟的焊接和压接两种结构的芯片高温度及其差值，可以明显看出焊接的温度低于压接的温度，并且随着输入功率的增加，焊压接结构的芯片高温度差值增大，焊接的散热效果更加显著。

　　表2两种结构的芯片高温度及其差值焊接压接差值4.同时，为了减弱房间内的空气流动，使LED灯具附近接近无风状态，在空调出风口附近安装挡板4.2结果分析相同情况下，对每个测试点进行7次测量，每次测量间隔时间大约为4 h，确保数据采集仪读数稳定后记录数据，后取7次测量的平均值作为，整个灯具的导热热阻R包括芯片自身的封装热阻R1、芯片与散热器之间连接部分的热阻R2以及散热器的热阻R3.居导热热阻串联定理R=R1+R2+R3以及R=/9，已知热流量q相同，则由At=t1-t6，从。

　　表4 3种不同功率时芯片底板底部中心处实验温度比较焊接压接差值从这一组比较可以看出，随着输入功率的增加，焊接和压接结构在芯片底板底部中心处的温度差值逐渐增大，焊接的优势越来越明显，说明焊接结构更有利于热量的导出。

　　5结论采用CAE软件构建了包括LED芯片、连接结构、散热器的单颗大功率LED灯具三维数学模型，计算结果与实验数据吻合较好，表明该方法和模型可有效地应用于led散热分析。新型焊接结构与传统压接结构相比有效地减少了芯片与散热器之间的导热热阻及接触热阻，对降低芯片节点温度有显著效果，而且随着LED功率的增加，焊接结构的散热效果比压接结构更加明显。不仅节点温度的降低可以延长led使用寿命，同时由于硅胶容易老化，焊接结构也可以延长寿命。不过目前冷喷涂形成的铜层导热系数只有160WKm K）左右，与常规铜的导热系数398WKmK）还有很大差距，冷喷涂工艺有待进一步的提高。