基于垂直与水平散热模式LED光电热特性研究

　　摘要：本文分析了中小功率LED新型散热模式——垂直散热的潜在优点。与传统散热模式——水平散热相比，新型垂直散热LED具有亮度高、散热快、光衰小、稳定性高等优点。本文对不同散热模式LED的结构、散热方式、光衰及色坐标漂移进行了分析和对比，并进行热特性模拟和实验测试分析。从散热、可靠稳定性及成本、体积等各个方面研究了基于垂直散热结构的LED光电热特性，指出垂直散热结构中小功率LED是目前应用照明光源的发展趋势。

　　关键词：LED；热管理；ANASYS；光电热特性；光衰

　　LED固体光源，与传统光源相比，具有效率高、光色纯、能耗低、寿命长，可靠耐用、应用灵活、无污染等优点，目前已广泛应用于道路照明、家用照明、汽车灯照明、景观照明等领域[1]。然而良好的散热特性是LED优异性能和稳定可靠的根本保证。温度对LED性能产生重要的影响，包括色温改变、波长红移、效率下降、正向压降等等，因此，热管理对LED的性能、光转换效率以及应用产生重要的影响[2]。

　　本文主要研究新型垂直散热模式LED在光电热特性方面的潜在优点。与传统水平散热模式LED相比，垂直散热结构LED具有亮度高、散热快、光衰小、成本低、稳定可靠的特点，是目前中小功率LED中应用照明光源的发展趋势。
 

　　一、垂直与水平散热模式结构对比

　　在本文两种不同散热模式LED特性分析中，新型垂直散热模式LED选用目前市场及应用热门的3014LED为例，传统水平散热模式则选用常用的3528LED为例，以做对比分析。

　　图1和图2分别为垂直散热与水平散热LED的结构示意图，图3所示为两种LED的散热方式示意图。

　　图1. 垂直散热模式结构示意图

　　图2. 水平散热模式结构示意图

　　图3. 水平与垂直散热方式示意图

　　从图1、图2的结构图中可以看出，3528LED在结构是通过銲接两端电极的焊脚进行散热，散热方式为水平散热。3014LED在结构上是通过底板散热通道进行散热，散热方式主要为垂直散热。图3更清楚的表达了两种不同结构LED 的散热模式。

　　二、LED灯珠的热学特性模拟

　　为了更好的研究对比分析不同散热结构LED的散热情况，我们使用了ANASYS有限元分析模拟软件进行建模及热学模拟分析。

　　为了能更方便的计算LED的热阻，首先设置底板温度参数为60℃，芯片功率为0.06W，固晶胶KER-3200-TI厚度为0.01mm，驱动电流为20mA进行热分析，水平散热结构 LED及垂直散热结构LED的热分布分别如图4、图5所示。

　　图4. 水平散热结构LED热模拟温度分布图

　　图5. 垂直散热结构LED热模拟温度分布图

　　表1. 散热模拟温度数据

　　由图4、图5及表1可以看出，当同时控制基底温度为60℃和LED工作电流为20mA时，虽然垂直散热模式LED的芯片温度要略高，这是因为所选用的3014LED模型的体积及散热面积均远小于3528 LED，热量过于集中所造成。但垂直散热模式的温差较小，其热阻117 mm²℃/W也远低于传统水平散热156 mm²℃/W，均表明垂直散热模式的散热效率优于水平散热模式。

　　为了更接近散热的客观事实情况，对LED热特性进行第二次模拟分析。此次模拟在模型中加入相同尺寸的铝板，不限定其温度，只设定驱动电流为20mA，与现实使用情况相符。水平散热LED及垂直散热LED的热分布分别如图6、图7所示。

　　图6.水平散热结构LED热模拟温度分布图

　　图7.垂直散热结构LED热模拟温度分布图

　　表2.LED散热模拟温度数据

　　由图6、图7及表2可看出，垂直散热模式LED的芯片温度、负极温度、温差、热阻等各项参数均远小于水平散热灯珠，这表明垂直散热模式能把积聚在内部芯片的热量及时散去。此模拟结果表明了在不设定任何温度限制即更接近于客观事实的情况下垂直散热模式具有更高散热效率的优势。

　　因一般3014LED在使用过程中一般多用25mA或者30mA电流驱动，所以对25mA 驱动的3014LED进行了热模拟分析。模拟条件如下：功率设为0.072W，固晶胶厚度设为0.01mm，正向电流IF设为25mA，相同尺寸铝板，不限定温度。此种情况的热分布分别如图8所示。表3为此次热模拟分析的结果。与垂直散热LED在20mA驱动时散热情况相比，其芯片和负极的温度大幅度降低，表明垂直散热LED在大电流驱动时凸显出更优的散热效果。

　　图8. 垂直散热结构LED热模拟温度分布图

　　表3. 垂直散热结构LED热模拟结果（25mA）

　　对比表2、表3，即如表4所示，通过分析，3014LED即使在25mA驱动下，其芯片、负极温度、温差与20mA驱动的3528LED相当，而其热阻130 mm²℃/W远低于20mA驱动的3528LED。