缩减高功率LED开发之CFD模拟散热

 高功率LED的应用日益扩大，但散热问题仍是厂商头痛的课题，而现可借由计算动力分析模型进行LED封装的热能分析，以降低产品设计初期的复杂度，加快产品上市时间。

　　高功率、高亮度发光二极管(LED)由于具有良好的色彩饱和度、长效寿命，目前正逐渐切入众多照明应用，不过要如何避免LED过热，却是散热设计工程师必须面对的重大考验，因此在设计过程中，计算流体动力分析(Computational Fluid Dynamic, CFD)模型的重要性也愈益突显。本文中将比较采用星形金属核心印刷电路板(MCPCB)的高功率LED，包装在搭配与未使用散热片情况下的实验结果，在进行比较讨论后，将提供一个应用在搭配散热片LED包装上的温度模型建立技术，由此看来，采用CFD模型所取得的结果相当可行，同时也展现出此项技术可应用在LED系统层级的评估上，文章中并将讨论在LED包装上采用散热接口材料(Thermal Interface Material, TIM)所带来的效应。

　　预估LED散热　简化产品设计

　　能够预先推估LED的散热效能表现，对协助设计工程师有效缩短采用LED产品的上市时间已是不容忽略的事实，不过，当热能流动与封装密度越来越高时，LED封装模块的散热设计就变得更加困难，同时模块的设计与热能分析也更为重要，因此CFD的仿真已成为电子产品设计初期热能分析普遍使用的方法，CFD主要包含有流体流动、热传导以及热幅射等相关程序的数值仿真分析。

　　本篇文章提出建立一个带有散热片高功率LED星形封装的步骤，首先针对采用星形基体的LED封装建立详细的模型，接着在LED星形封装的底部加上散热片，最后再将仿真结果与实验数据进行比较。

　　文章的另一个重点则在于TIM对LED封装带来的影响，主要目的是用来找出不同接口厚度(Bond Line Thickness, BLT)散热接口材料的特性，以及材料中空隙的百分比。

　　依温度模型建立技术

　　采用星形基体的LED封装使用Flomeric出品的CFD工具Flotherm来建立模型。

模型描述为首要工作

　　首先建立详细的模型，以便找出与实际测量结果间的误差百分比，LED封装的详细尺寸参数以及包装材料的热传导能力参考表1。

表1　带散热片LED星状包装的结构细节以及包装材料的导热能力

　　图1分别为LED封装的前视图与布局安排，封装与基体间加入焊膏，当包装达到1.3瓦的最大功率时，使用标准的自然与强制对流空气散热方式，并无法将接面温度维持在125℃以下的可接收范围内，因此须加上散热片以能符合目标温度的要求，要将散热片封装在LED上，首先要把导热胶带黏贴在散热片后端，接着将散热片封装在LED基体的底部。

图1　上图为安华高科技Moonstone星形包装功率LED ASMT-Mx09的前视图与侧视图。下图为采用星形包装的LED产品ASMT-Mx09。

　　再设定栅格/边界条件

　　要进行CFD分析，须先假设三维空间、稳定状态、稳定气流、空气特性稳定、环境温度为25℃、计算范围为305毫米×305毫米×305毫米，以及散热方式透过自然散热、热传导与热辐射的条件。
详细散热片模型的基体LED包装整体栅格数大约为二十万个，在栅格数设定上，建议在散热片每个鳍片间至少使用三个。

剖析热阻/数值/实验结果

接着要计算热阻、数值分析以及实验结果。

　　测量介电层以计算热阻

　　要计算垂直通过芯片的热阻，须测量芯片黏合层、芯片垫片、TIM、散热片以及与基体间的介电层，每阶层都各自拥有自己的导热特性(表2)，其中通过芯片，也就是接面到外部环境的热阻Rja可透过方程式(1)、(2)加以计算：
　　
其中RJ-MS＝10 ℃/W
Rja代表热能由LED芯片传递到外界的能力，也就是说，Rja的数值越低、散热效能越好，图2分别显示封装结构的3D、2D横切面图，有助于了解整个散热路径。

图2　上图为LED星状包装的3D剖面图，下图为带散热片LED星状封装的2D剖面图。

　　进行数值分析/实验结果分析

　　安排在MCPCB上的LED封装通常采用铝挤方式做为基底，一百一十根鳍片的鳍片型散热片则透过导热胶带黏贴在星形MCPCB背面，封装以1.2瓦驱动，焊接点的温度TMetalSlug则透过安排在封装散热块上的热电偶加以测量(图3)，测量只有在温度到达稳定时才进行。

图3　Moonstone LED封装上的测量点

　　表2为仿真模型结果与测量数据的比较，可视化仿真结果分别显示在图4，当仿真结果温度高于测量温度时，代表数值模型忽略部分的冷却现象。

表2　仿真结果与测量数据的比较

图4　上图为LED星形封装的可视化模拟结果，下图为详细散热片模型的MCPCB LED封装可视化仿真结果。

　　TIM协助LED散热

TIM在帮助LED封装时，将热能传导到电路板或散热片上扮演相当重要的角色，在图2中，TIM