大功率LED散热技术研究

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　　摘要：本文主要研究了大功率LED的散热技术，文中选取基板作为突破点，探索一些高散热性能，低成本，高可靠性的结构。
　　关键词：大功率LED 散热 ANSYS 基板
　　中图分类号：TN 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2013）06-0024-01
　　1 前言
　　文中通过用ANSYS软件仿真分析散热情况，对比现有的大功率LED散热技术，在此基础上提出改进方案。
　　目前，在LED封装中应用的散热基板主要有环氧树脂覆铜板（FR-4）、金属基覆铜板（MCPCB）、陶瓷覆铜板等[1]。
　　2 用ANSYS软件分析LED基板的散热情况
　　通过仿真以下两项工作：
　　一是仿真模拟传统的FR一4环氧树脂覆铜板和市场上现有的MCPCB铝基板的散热性能，以及铝基板在不同环境参数下的散热分布情况，得出改善铝基板散热效果的必要性；
　　二是以MCPCB为原型，利用仿真了解绝缘层特性的变化在铝基板散热中所发挥的作用，为新型基板的结构设计提供依据。
　　2.1 仿真模型及边界条件
　　传统的FR—4采用的是双层结构，底层为环氧树脂，上层为导电铜箔； MCPCB是三层结构，底层为铝基板，中间为环氧树脂绝缘层，上层为导电铜箔。在仿真中，我们做了如下假定和抽象：
　　①所有芯片产生的热量都通过基板下部及侧面进行散热；
　　②在仿真中忽略导电铜箔的散热，即不考虑导电层的散热；
　　③在接触面上，我们假定接触面理想光滑，即不存在接触热阻；
　　④晶粒置于正方形基板的中心，选取其中1/4作为仿真分析对象。
　　仿真模型中的外形尺寸、导热系数等参数如表2.1所示，其各项参数都参考实际LED模组选取。
　　2.2 仿真结果及分析
　　对于FR-4我们仿真了在通常工作温度Tw=20℃时，1W级LED芯片的温度场分布。LED晶粒中心的最高温度达到了164.413℃。LED模组的热阻大约为635.6K/W。此时硅基的LED晶粒将会快速失效，说明FR—4环氧树脂覆铜板不能适用于大功率LED的封装。
　　对于金属基覆铜板，我们仿真了下述两个条件下的温度场分布。
　　①在通常工作温度Tw1=20℃时，lW级LED芯片的温度场分布；
　　②在极端工作温度Tw2=50℃时，3W级LED芯片的温度场分布。
　　由仿真结果得出，当环境温度为20℃、芯片功率为1W时，LED晶粒中心的最高温度为54.517℃。估算整个LED模组的热阻大约为55.35K/W，此时LED模组能保证正常的使用寿命。当环境温度为50℃、芯片功率为3W时，LED晶粒中心最高温度达到了168.551℃，此时硅基的LED晶粒将会快速失效，说明当环境温度提高时， MCPCB铝基板依然不能满足不断增长的散热需求。
　　3 绝缘层特性的变化对铝基板散热的影响
　　在仿真中，选择两组对比条件，分别用于说明绝缘层导热系数和厚度对散热性能的影响。
　　3.1 绝缘层导热系数对散热的影响
　　在针对绝缘层导热系数对散热的影响的仿真中，选取芯片及基板参数。尺寸参数同表2.1中晶粒尺寸和MCPCB尺寸保持一致，MCPCB绝缘层的导热系数作为变化参量，分别选择了0.8、2、20W/M·K [2]。
　　晶粒中心在不同绝缘层导热系数下的最高温度分别为59.517℃、53.823℃、50.389℃。估算整个模组热阻在三个导热系数下分别为55.350K/W、26.880K/W、9.710K/W。
　　由此可见，随着绝缘层导热系数的不断增大，其芯片中心最高温度是不断下降的。说明绝缘层的导热系数增大可以使绝缘层的热阻变小，散热效果变好。
　　3.2 绝缘层厚度对散热的影响
　　在针对绝缘层厚度对散热的影响的仿真中，选取的芯片及基板参数。尺寸参数同表2.1中晶粒尺寸和MCPCB尺寸保持一致，MCPCB绝缘层厚度作为变化参量，分别选择了0.04、0.08、0.16mm。
　　晶粒中心在不同绝缘层厚度下的最高温度分别为51.455℃、50.757℃、50.389℃。估算整个模组热阻在三个导热系数下分别为15.035K/W、11.550K/W、9.710K/W。
　　可见随着绝缘层厚度的减小，其晶粒中心最高温度是降低的，但变化幅度不大，说明绝缘层厚度的减小也可以使散热效果变好，但对散热效果的影响比较有限。因此，减小绝缘层导热系数是提升基板散热效果的主要手段。
　　参考文献：
　　[1]余彬海. 结温与热阻制约大功率 LED 发展[J]. 发光学报， 2005， 26（6）： 761-766.
　　[2]刘胜，陈明祥.大功率LED封装技术与发展趋势[J]中国照明，2008，18（3）：69一76.
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