改善大功率LED散热的关键问题

1 引言

目前，很多功率型LED的驱动电流达到70 mA、100 mA甚至1 A，这将会引起芯片内部热量聚集，导致发光波长漂移、出光效率下降、荧光粉加速老化以及使用寿命缩短等一系列问题。业内已经对大功率LED的散热问题作出了很多的努力：通过对芯片外延结构优化设计，使用表面粗化技术等提高芯片内外量子效率，减少无辐射复合产生的晶格振荡，从根本上减少散热组件负荷；通过优化封装结构、材料，选择以铝基为主的金属芯印刷电路板(MCPCB)，使用陶瓷、复合金属基板等方法，加快热量从外延层向散热基板散发。多数厂家还建议在高性能要求场合中使用散热片，依靠强对流散热等方法促进大功率LED散热。尽管如此，单个LED产品目前也仅处于1～10 W级的水平，散热能力仍亟待提高。相当多的研究将精力集中于寻找高热导率热沉与封装材料，然而当LED功率达到lO W以上时，这种关注遇到了相当大的阻力。即使施加了风冷强对流方式，牺牲了成本优势，也未能获得令人满意的变化。

讨论在现有结构、LED封装及热沉材料热导率等因素变化对于其最大功率的影响，寻找影响LED散热的关键因素。研究方法为有限元热分析法．该方法已有实验验证了LED有限元模型与其真实器件之间的差别，证明其在误差许可范围内是准确可行的。
2 建立模型

2．1 有限元热分析理论

三维直角坐标系中的瞬态温度场场变量T(x，y，z，t)满足：

式中：T/x，T/y，T/z为沿x，y，z方向的温度梯度；λxx,λyy，λzz为热导率；q0为单位体积的热生成；ρc是密度与比热容的乘积：dT/dt为温度随时间的变化率。

式中：Vx，Vy,Vz为媒介传导速率。

对于稳态热分析而言，T/t=0，式(1)可化简为：

根据式(3)、边界条件与初始条件，利用迭代法或者消去法求解，得出热分析结果。

2．2 几何模型的建立

图1为依据常见1 w大功率LED尺寸建立并简化、海鸥翼封装铝热沉的大功率LED图形，底座接在MCPCB铝基板上。主要数据：芯片尺寸为1 mm×1 mm×O.25 mm，透镜为直径是13 mm的半球。硅衬底为边长17 mm，高0.25 mm的正六棱柱，MCPCB为直径20 mm，高1.75 mm的六角星形铝质基板。

2．3 有限元模型的建立

模型采用ANSYSl0.0计算，为方便分析，假设模型：

LED输入功率为1 W，光效率取10％；封装体外部的各组件(包括MCPCB、陶瓷封装、热沉的外部)通过与空气的对流散热；器件与外界的热对流系数为20。工作环境温度为25℃；器件满足使用ANSYS软件进行稳态有限元热分析的条件；最大结温选择为125℃。各种材料的参数如表1所示。

3 分析各种因素对于散热能力的影响

3.1 热辐射系数对LED散热的影响

图2为表面黑度为0.8时的温度云图。根据斯蒂芬-玻耳兹曼定律，辐照度j*与温度T之间的关系：j*=εσT4。其中ε为黑体的辐射系数；σ=5.67×10-8w／(m2·k4)，称为斯蒂芬-玻耳兹曼常数。因此可知，温度越高，辐照度越大。当输入功率为1 W时，经由表面辐射散出的热能为7.63×10－4W，仅占总热功率的1.63‰；功率达到2 W时，经辐射散出的热能也仅占6.33‰。因此改变热辐射系数对于提高散热能力改善成效不大，散热的关键在于提高另外两种散热方式：热传递和热对流。尽管如此，仍有一些厂家将LED器件的外表面涂成黑色，以期最大限度地利用辐射散热。

3．2 热导率对LED的散热的影响

只考虑热传导与对流，改变不同封装填充材料如硅树脂．得出结果，如图3所示。即使找到一种热导率高达7 Wm-1K-1的环氧树脂成分封装材料时，相比使用热导率为0.25 Wm-1K-1的环氧树脂成分封装材料时，芯片温度下降不多，铝基板温度只下降了2.271℃，最大功率仅提高了0.69 W。实际上，热导率值超过7Wm-1K-1以上、可商业化的透明硅树脂封装材料目前尚无文献报导。分布云图如图4所示。

表2给出透镜热导率为0.2 Wm-1K-1时，不同热沉材料的导热系数对于LED最大功率影响。由表2看出，热沉材料对于LED的最大散热能力的影响很小。

综上所述，热导率变化对LED最大功率影响微弱。

3．3 增加散热面积对LED散热的影响

表3为3种不同散热方式对LED的温度分布、最大功率的影响。可以看出，增加散热面积是很好的散热方式，可以轻易地提高LED器件散热能力，这是目前LED产品所普遍使用的散热方式之一。然而缺点也很明显：影响成本、增加产品重量、影响封装密度。无限度地提高LED散热片面积显然不现实，因此一般使用1.5inch2散热片提升LED产品最大功率至10 W左右，出于成本等因素就不能继续提高。

3．4 对流方式对LED散热的影响

常见对流散热方式有两种：自然对流和强制对流。固定结构的散热与表面传热系数有关。空冷方式时，不同传热系数对最大功率的影响如图5所示。强对流方式在一定速度内会大大提高LED产品的散热能力，有助于提高散热效果。