馬璐 劉靜

(中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190)

1 引言

相比于普通光源，LED光源具有發(fā)光效率高，使用壽命長(zhǎng)，安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，有望進(jìn)入普通照明市場(chǎng)并逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)照明光源［1］。但是，LED光源是一種冷光源，其機(jī)理在于依靠電子在能帶間躍遷產(chǎn)生光，光譜中不含紅外成分，因而所產(chǎn)生熱量不能通過(guò)輻射發(fā)出。目前LED芯片的發(fā)光效率僅能達(dá)到10%～20%，其80%～90%的能量轉(zhuǎn)化為熱能。隨著LED功率提高，會(huì)使得芯片內(nèi)PN結(jié)結(jié)溫升高，進(jìn)而對(duì)性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響，加速器件老化，甚至引起芯片燒毀［2］。針對(duì)高功率LED的熱管理，國(guó)內(nèi)外已有大量研究。Christensen及 Graham［3］用有限元方法分析了系統(tǒng)溫度分布，考察了高功率LED芯片封裝的熱問(wèn)題，指出在自然對(duì)流下，為保證芯片能夠安全工作，其功率不能超過(guò)1W;對(duì)于高密度高功率LED，必須考慮空氣強(qiáng)迫對(duì)流、熱管等主動(dòng)散熱方案。Kim等［4］研究了高功率LED芯片粘結(jié)點(diǎn)的瞬態(tài)溫度特性，分析了粘結(jié)層的失效性和熱阻問(wèn)題。Kovac等［5］闡述了基于有機(jī)和無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料制造LED的兩個(gè)主要方向，并指出未來(lái)LED將朝著顏色更豐富、亮度更高、功耗更低方向發(fā)展。余彬海等［6］分析了PN結(jié)結(jié)溫對(duì)LED器件的光通量、波長(zhǎng)、色度、器件壽命的影響問(wèn)題。李炳乾［7］采用金屬線路板和板上芯片技術(shù)，在金屬線路板上直接制作反光杯，以期減小系統(tǒng)熱阻。蘇達(dá)及王德苗［8］從封裝結(jié)構(gòu)和材料角度，對(duì)國(guó)內(nèi)外高功率LED的散熱進(jìn)展進(jìn)行了評(píng)述。呂家東［9］對(duì)LED芯片的微流道制冷技術(shù)進(jìn)行了研究，指出其散熱效果可以高出銅散熱器的20倍。馬璐等［10］將液體金屬散熱新方法引入到LED燈的冷卻中。馬澤濤等［11］通過(guò)三維有限元分析法對(duì)LED器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，著重分析了元件級(jí)內(nèi)部熱阻及溫度場(chǎng)分布。為突顯LED環(huán)保、節(jié)能和高效的特點(diǎn)，高逸峰等［12］對(duì)太陽(yáng)能 LED照明進(jìn)行了分析論證。

本文首次提出一種具有側(cè)面出風(fēng)口的散熱系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)大功率LED模塊的高效散熱，整個(gè)系統(tǒng)采用開(kāi)放形式，借助于底部風(fēng)機(jī)將環(huán)境空氣帶入到系統(tǒng)中冷卻大功率LED模塊，從而保證LED芯片在結(jié)溫下安全、低噪音、穩(wěn)定運(yùn)行。

2 側(cè)面封裝基本結(jié)構(gòu)及原理

如圖1，該側(cè)面出風(fēng)冷卻LED散熱系統(tǒng)［13］主要由7部分組成，相應(yīng)功能如下:

(1)基座:對(duì)整個(gè)裝置起到支撐作用，并為風(fēng)機(jī)提供安裝的空間和空氣入口;

(2)進(jìn)風(fēng)口:在風(fēng)機(jī)所提供的負(fù)壓下，成為空氣進(jìn)入冷卻系統(tǒng)的進(jìn)口;

(3)送風(fēng)槽:整個(gè)送風(fēng)槽為中空結(jié)構(gòu)。用于為空氣提供環(huán)繞安裝板一周的流道，同時(shí)還能起到穩(wěn)流的作用;

(4)LED模塊 (詳見(jiàn)圖2):被冷卻的部件;該LED模塊在實(shí)際中是通過(guò)涂抹導(dǎo)熱硅脂并且利用螺紋等機(jī)械固定部件與安裝板5相連。

(5)安裝板:一方面，用于LED模塊的安裝固定。另一方面，當(dāng)LED芯片功率很大時(shí)，安裝板可以采用導(dǎo)熱金屬板來(lái)加強(qiáng)LED芯片與氣流之間的換熱;

圖1 側(cè)面出風(fēng)冷卻LED散熱系統(tǒng)

圖2 LED模塊結(jié)構(gòu)圖

(6)風(fēng)機(jī):為整個(gè)散熱系統(tǒng)提供動(dòng)力，驅(qū)使空氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入流道;

(7)前端側(cè)面出風(fēng)口:在環(huán)形送風(fēng)槽上開(kāi)出的一個(gè)圍繞送風(fēng)槽的開(kāi)口。此外，為了加強(qiáng)換熱效果，還可以在安裝板的背面再開(kāi)一個(gè)后端側(cè)面出風(fēng)口，以直接冷卻安裝板的背面。

當(dāng)LED需要冷卻時(shí)，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)6，在風(fēng)機(jī)形成的負(fù)壓作用下，外界空氣通過(guò)基座1周?chē)倪M(jìn)風(fēng)口2沿著基座到達(dá)環(huán)形送風(fēng)槽3，再通過(guò)送風(fēng)槽上的出風(fēng)口7外掠安裝板和LED模塊。

考慮到當(dāng)前LED模塊已做得比較薄，可以直接將LED模塊貼在安裝板上。如圖3，芯片產(chǎn)生的熱量通過(guò)高速氣流最后達(dá)到環(huán)境中，存在3條散熱通路:(1)直接由前端封裝材料表面與空氣進(jìn)行熱交換;(2)芯片熱量通過(guò)LED模塊基座將大部分熱量傳給安裝板，安裝板再與高速氣流進(jìn)行熱交換;(3)LED模塊基座前端與高速氣流直接進(jìn)行熱交換。這樣LED芯片產(chǎn)生的熱量可通過(guò)三條路徑被高速氣流帶走，從而確保LED安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

圖3 LED芯片散熱的三條途徑

側(cè)面出風(fēng)冷卻LED散熱系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)在于:(1)擯棄了傳統(tǒng)肋片散熱形式，有利于減小散熱系統(tǒng)的體積，可以使得整個(gè)系統(tǒng)做得更加輕薄，從而更好地發(fā)揮LED美觀輕巧的優(yōu)勢(shì);(2)將風(fēng)機(jī)封裝在基座中，一方面可以通過(guò)設(shè)置隔音設(shè)施減小噪音;另一方面可以通過(guò)封裝對(duì)風(fēng)機(jī)起到保護(hù)作用;最后，該結(jié)構(gòu)還有利于更加靈活地選取風(fēng)機(jī);(3)除了能夠?qū)ED芯片從底部散出的熱量及時(shí)帶到環(huán)境中之外，還能有效地利用LED封裝模塊前端表面空間，從而擴(kuò)充了散熱面積。特別是還能降低LED模塊封裝材料的溫度，從而可以延長(zhǎng)LED封裝材料的使用壽命，防止色坐標(biāo)偏移和封裝材料內(nèi)熒光粉的光致效率降低。

3 數(shù)值計(jì)算模型

本文模擬的側(cè)面出風(fēng)冷卻LED的散熱系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型如圖4，基座設(shè)置為半徑為50 mm，高度為35 mm的圓柱形;將環(huán)形流道的截面簡(jiǎn)化成為矩形;安裝板的半徑為100 mm，板厚為3 mm;前后端側(cè)面出風(fēng)口的寬度各為4 mm;考慮現(xiàn)有市場(chǎng)上LED模塊的實(shí)際尺寸和結(jié)構(gòu)，將LED模型簡(jiǎn)化為80 mm×80 mm×1.5 mm的熱源安裝在安裝板的中心;整個(gè)模型放置在500 mm×500 mm×500 mm的計(jì)算空間內(nèi)，空間邊界設(shè)置為壓力出口邊界條件。

進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)壓設(shè)置在40～120Pa之間，LED功率設(shè)置為40～200W(本文由于主要考慮LED芯片的散熱問(wèn)題，故用一個(gè)均勻熱源代替LED模塊研究其散熱問(wèn)題，并不考慮其發(fā)光效率。在實(shí)際中，發(fā)光會(huì)消耗10% ～20%的功耗)。使用 Fluent軟件對(duì)整個(gè)三維系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值仿真研究。

圖4 數(shù)值模擬計(jì)算模型

4 結(jié)果與討論

4.1 出風(fēng)口形式對(duì)LED芯片平均溫度的影響

圖5給出了120Pa風(fēng)壓下，在僅有前端側(cè)面出風(fēng)口、僅有后端側(cè)面出風(fēng)口以及前后端側(cè)面出風(fēng)口均同時(shí)存在時(shí)，不同功率LED芯片的溫度。從中可以看出，在某個(gè)確定的功率值下，相比于僅有前端側(cè)面出風(fēng)口的情形，具有后端側(cè)面出風(fēng)口的結(jié)構(gòu)會(huì)使LED芯片平均溫度略低。這主要是因?yàn)椋捎跊](méi)有安裝LED芯片，安裝板后端相對(duì)于前端而言會(huì)更加平滑，導(dǎo)致從后端側(cè)面出風(fēng)口出來(lái)的高速氣流相對(duì)于從前端出風(fēng)口出來(lái)的氣流會(huì)更加平穩(wěn)。

從圖中也可以看出，在前后端側(cè)面出風(fēng)口同時(shí)存在的條件下，LED芯片的溫度最低。這是因?yàn)樵谕瑫r(shí)具有前后端側(cè)面出風(fēng)口時(shí)，高速氣流掠過(guò)的面積為安裝板前端面積和后端面積之和;而在單個(gè)出風(fēng)口的條件下，氣流掠過(guò)的面積只是安裝板的單面。這使得在同時(shí)具有前后端側(cè)面出風(fēng)口條件下散熱面積最大，更有利于散熱。這也表明，在傳統(tǒng)的LED散熱方式 (即將熱量從LED芯片后端帶走的形式，在本文中即通過(guò)后端側(cè)面出風(fēng)口將熱量帶走的形式)不能滿足散熱需求時(shí)，可以考慮同時(shí)冷卻LED芯片前端和后端的形式 (即同時(shí)采取前后端側(cè)面出風(fēng)口的形式帶走 LED芯片產(chǎn)生的熱量)，來(lái)加強(qiáng)LED芯片的換熱。

通過(guò)前端側(cè)面出風(fēng)口的形式冷卻LED芯片的一個(gè)好處還在于，可以降低LED模塊前端封裝材料的溫度，從而減緩其中的熒光粉和封裝材料的老化和變性。

此外，圖5曲線的大致走勢(shì)也可以借助傳熱學(xué)方程理解，由對(duì)流換熱方程:

式中:Tj——LED芯片的溫度;

h——側(cè)面出風(fēng)口高速氣流的對(duì)流換熱系數(shù);

A——?dú)饬髀舆^(guò)的面積;

Ta——環(huán)境溫度。

由于在具有前后端側(cè)面出風(fēng)口的條件下，氣流掃過(guò)的面積比單獨(dú)有前端側(cè)面出風(fēng)口或者后端側(cè)面出風(fēng)口的條件下的面積要大，即:

所以，在某個(gè)確定的LED功率下，且環(huán)境溫度和風(fēng)壓一定時(shí):

而在出風(fēng)口形式確定的情況下 (即對(duì)流換熱系數(shù)h一定)，由公式 (1)可以看出，LED芯片的功率與其溫度成線性增長(zhǎng)的關(guān)系。而圖5中的3條曲線都比較符合這一線性規(guī)律。

4.2 風(fēng)壓對(duì)LED芯片的影響

由圖6可以看出，風(fēng)壓的增長(zhǎng)會(huì)有效地降低LED的溫度。由圖可以看出，在風(fēng)壓由40 Pa增至80 Pa時(shí)，溫度從84℃下降至74.8℃，幾乎呈線性下降。這主要是因?yàn)?風(fēng)壓增大的同時(shí)出風(fēng)口的流速也將對(duì)應(yīng)增大，從而導(dǎo)致氣流的對(duì)流換熱系數(shù)變大，繼而加強(qiáng)LED芯片與空氣的熱交換，最終降低LED芯片的溫度。

圖5 風(fēng)壓為120 Pa，三種不同形式側(cè)面出風(fēng)口條件下的LED模塊芯片平均溫度與LED熱功率關(guān)系

圖6 在具有前端側(cè)面出風(fēng)口條件下，LED模塊熱功率為100 W時(shí)，芯片平均溫度與進(jìn)口風(fēng)壓的關(guān)系

但是由圖也可以看出，在風(fēng)壓由80 Pa增至120 Pa的過(guò)程中，雖然溫度隨著風(fēng)壓的增加而降低，但下降的幅度也逐漸變小。這主要因?yàn)?隨著氣流流速的加大，雖然有更多的氣流流過(guò)安裝板前端，但是由于氣流速度過(guò)快，導(dǎo)致氣流來(lái)不及與安裝板或者LED模塊前端發(fā)生熱交換，從而使得下降的幅度變小?？梢灶A(yù)計(jì)，隨著壓力的進(jìn)一步增加，可能會(huì)存在一個(gè)閾值，使得風(fēng)壓在超過(guò)該閾值時(shí)，芯片的溫度不再隨著風(fēng)壓的變大而變大。該問(wèn)題有待于在今后的研究中進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖7為不同功率LED在具有前端出風(fēng)口的條件下，風(fēng)壓分別為40 Pa和120 Pa時(shí)的芯片平均溫度。可以看出，在某個(gè)確定的功率下，120 Pa的風(fēng)壓會(huì)更加有效地降低LED的芯片平均溫度。比如在功率為120W時(shí)，當(dāng)風(fēng)壓為40 Pa時(shí)，LED芯片平均溫度為79℃，而當(dāng)風(fēng)壓為120 Pa時(shí)，芯片的溫度為96℃，相差為17℃。這就表明，為了降低LED芯片的溫度，可以適當(dāng)?shù)剡x取更大的風(fēng)壓來(lái)保證芯片在額定溫度 (120℃)以下工作。但也要注意，一方面，較大的風(fēng)壓意味著風(fēng)機(jī)要消耗更多的能量，為了保證LED系統(tǒng)節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)該在其溫度和風(fēng)壓值之間做個(gè)平衡。另一方面，由圖6的討論可以看出，風(fēng)壓的選取也應(yīng)該在一定的范圍之內(nèi)，超過(guò)一定的閾值時(shí)，風(fēng)壓的大小可能并不一定能降低芯片平均溫度。在這種情況下，應(yīng)該依據(jù)LED的功率大小，整個(gè)系統(tǒng)的尺寸，風(fēng)機(jī)的耗功，根據(jù)具體需要模擬計(jì)算確定。

圖7 在具有前端側(cè)面出風(fēng)口條件下，風(fēng)壓分別為120 Pa和40 Pa時(shí)，LED模塊芯片平均溫度和LED模塊功率的關(guān)系

4.3 三種不同出風(fēng)口形式下，40W LED在風(fēng)壓為120 Pa，環(huán)境溫度為27℃時(shí)的溫度和氣流分布

圖8為前端側(cè)面出風(fēng)口條件下的溫度云圖和氣流矢量圖。從中可以看出，熱源的溫升為17℃，最大氣流速度位于出風(fēng)口。在氣流外掠安裝板的過(guò)程中，氣流速度衰減很快。并且由于氣流沿環(huán)形流道射出，氣流互相沖擊，在中心偏上一點(diǎn)的地方形成兩個(gè)較大的漩渦，這也加強(qiáng)了氣流的紊流，有利于LED熱量的散出。圖9、圖10分別為具有后端側(cè)面出風(fēng)口和同時(shí)具有前后端側(cè)面出風(fēng)口條件下的溫度云圖和氣流矢量圖。

此外，在速度矢量圖中可以看出，氣體流速比較高，空間上的流速基本在1～5m/s之間，使得這種開(kāi)放式結(jié)構(gòu)可以直接應(yīng)用于室外。但是，如果需要將這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用于室內(nèi)的話，高速氣流會(huì)對(duì)人產(chǎn)生一定的影響，應(yīng)該采用大的燈罩等結(jié)構(gòu)對(duì)空間氣流進(jìn)行有效地控制。相應(yīng)改進(jìn)有待于在今后的研究中展開(kāi)。

圖8 在具有前端側(cè)面出風(fēng)口條件下，40W LED在風(fēng)壓為120 Pa時(shí)

圖9 后端出風(fēng)口條件下，40W LED在風(fēng)壓為120 Pa時(shí)

圖10 同時(shí)具有前后端出風(fēng)口條件下，40W LED在風(fēng)壓為120 Pa時(shí)

5 總結(jié)

本文提出了一種側(cè)面出風(fēng)冷卻LED的新型散熱封裝系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了這種散熱結(jié)構(gòu)的組成及原理，對(duì)其進(jìn)行了傳熱學(xué)建模，并對(duì)新系統(tǒng)在不同風(fēng)壓，三種不同出風(fēng)口結(jié)構(gòu) (前端側(cè)面出風(fēng)口，后端側(cè)面出風(fēng)口，前后端側(cè)面出風(fēng)口)和不同LED熱功率下的溫度進(jìn)行了評(píng)估。主要結(jié)論如下:

(1)新型散熱系統(tǒng)能夠有效地降低LED芯片的溫度。在具有前后端出風(fēng)口條件下，40W LED在27℃室溫，120 Pa進(jìn)口風(fēng)壓時(shí)，芯片溫升僅為15℃。

(2)LED芯片平均溫度與其模塊功率有密切關(guān)系，呈線性增長(zhǎng)的關(guān)系。

(3)側(cè)面出風(fēng)口形式對(duì)LED芯片的溫度有影響，其中，后端側(cè)面出風(fēng)口結(jié)構(gòu)會(huì)稍微優(yōu)于前端側(cè)面出風(fēng)口。但是當(dāng)同時(shí)開(kāi)啟前后端側(cè)面出風(fēng)口時(shí)，效果會(huì)優(yōu)于單個(gè)側(cè)面出風(fēng)口，這主要是因?yàn)榍罢咄瑫r(shí)冷卻了安裝板的前后端，增加了散熱面積。

(4)在一定范圍內(nèi)，為了更加有效地降低LED芯片平均溫度，可以適當(dāng)?shù)卦黾语L(fēng)壓。但需注意的是:一方面，較大的風(fēng)壓意味著風(fēng)機(jī)要消耗更多的能量，為了保證LED模塊節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)該在其溫度和風(fēng)壓值之間做個(gè)平衡。另一方面，風(fēng)壓的選取也應(yīng)該在一定的范圍之內(nèi)，超過(guò)一定閾值時(shí)，風(fēng)壓的大小并不能降低結(jié)點(diǎn)溫度。在這種情況下，應(yīng)該根據(jù)LED的功率大小，整個(gè)系統(tǒng)的尺寸，風(fēng)機(jī)的耗功，視具體需要模擬計(jì)算確定。

(5)新型散熱結(jié)構(gòu)，摒棄了傳統(tǒng)的肋片和風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，具有能夠減小系統(tǒng)體積的優(yōu)點(diǎn)。并且將風(fēng)機(jī)封裝在基座中，可以更加靈活地選取風(fēng)機(jī)，從而有效地實(shí)施隔音處理。

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