褚旭昭 丁同言 楊潔翔 葉 挺 魏 凱

(上海半導(dǎo)體照明工程技術(shù)研究中心 (工程部)，上海 201203)

1 引言

LED具有體積小、耗電量低、使用壽命長、高亮度、低熱量、環(huán)保、堅(jiān)固耐用、多變幻等優(yōu)點(diǎn)，被稱為繼白熾燈、鈉燈、熒光燈之后的第四代光源，廣泛用于各種室內(nèi)、戶外顯示屏，交通信號，隧道、大廈、戶外廣告牌、公園夜景、機(jī)場、地鐵、高架立交橋等建筑的景觀和白光照明中。然而LED工作時(shí)產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)散發(fā)掉，不僅會影響其發(fā)光效率，而且對其壽命也會有很大的影響。因此如何優(yōu)化LED照明燈具的散熱器結(jié)構(gòu)對提高LED發(fā)光效率，增長其壽命都具有重要意義。

2 散熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為市面上某一類型的LED器件的熱傳導(dǎo)部件的示意圖。1為芯片，2、3為陶瓷，4為導(dǎo)熱膠，芯片的熱量傳給陶瓷，陶瓷通過導(dǎo)熱膠傳給散熱器。散熱器把芯片產(chǎn)生的熱量散發(fā)到空氣中。圖2為LED器件的熱傳導(dǎo)部件的三維模型。

圖1 市面上某一類型的LED器件的熱傳導(dǎo)部件的示意圖

圖2 LED器件的熱傳導(dǎo)部件的三維模型

為探討散熱器的散熱面積對散熱性能的影響，優(yōu)化散熱器的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了三種不同結(jié)構(gòu)的散熱器。

第一種結(jié)構(gòu)

如圖3所示扇形葉片散熱器，在散熱器底座上有一空心圓柱，在空心圓柱的外圍分布有30個(gè)扇形葉片，扇形葉片側(cè)面與空氣接觸，主要通過扇形葉片把芯片的熱量交換到空氣中。

圖3 30個(gè)扇形葉片的扇形葉片散熱器三維模型

如圖4所示扇形葉片散熱器，其結(jié)構(gòu)與圖3中結(jié)構(gòu)相同，扇形葉片個(gè)數(shù)增加到40個(gè)。

圖4 40個(gè)扇形葉片的扇形葉片散熱器三維模型

第二種結(jié)構(gòu)

如圖5所示圓形孔散熱器，在散熱器底座上有一空心圓柱，在空心圓柱上開了163個(gè)圓形孔，通過圓形孔把芯片熱量交換到空氣中。

圖5 圓形孔散熱器三維模型

第三種結(jié)構(gòu)

如圖6所示六邊形孔散熱器，在散熱器底座上有一空心圓柱，在空心圓柱上開了222個(gè)正六邊形孔，通過正六邊形孔把芯片熱量交換到空氣中。

圖6 六邊形孔散熱器三維模型

如圖7所示六邊形孔散熱器，其結(jié)構(gòu)與如圖6所示六邊形孔散熱器結(jié)構(gòu)類似，在空心圓柱中間填充傳熱性能更好銅材料。

圖7 中間填充銅材料的六邊形孔散熱器三維模型

3 三種散熱器散熱面積比較

散熱器中與空氣接觸部分都是具有熱交換能力，應(yīng)作為有效散熱面積。

扇形葉片散熱器散熱面積包括所有扇形葉片側(cè)面積和中間圓柱內(nèi)、外側(cè)表面積以及底座上表面積。

圓形孔散熱器散熱面積包括每個(gè)圓形散熱孔圓柱面的表面積和空心圓柱的內(nèi)、外側(cè)表面積以及底座的上表面積。

六邊形孔散熱器散熱面積包括每個(gè)六邊形散熱孔各內(nèi)側(cè)面的表面積和空心圓柱的內(nèi)、外側(cè)表面積以及底座的上表面積。

通過計(jì)算得出圖3、圖4、圖5和圖6中散熱器的散熱面積，如表1所示。

表1 散熱器的散熱面積

4 模擬仿真及分析

芯片、陶瓷、導(dǎo)熱膠、散熱器的裝配體如圖8所示。

圖8 芯片、陶瓷、導(dǎo)熱膠、散熱器的裝配示意圖

將每個(gè)芯片、陶瓷、導(dǎo)熱膠、散熱器的裝配體分別導(dǎo)入CFdesign(試用版)中進(jìn)行模擬分析，在芯片上加的單位體積熱量為10W/mm3。

模擬仿真結(jié)果分別如圖9、圖10、圖11、圖12和圖13所示。散熱器裝配體模型熱模擬仿真最高溫度如表2所示。

圖9 30個(gè)扇形葉片的扇形葉片散熱器裝配體的模擬仿真溫度分布

圖10 40個(gè)扇形葉片的扇形葉片散熱器裝配體的模擬仿真溫度分布

圖11 圓形孔散熱器裝配體的模擬仿真溫度分布

圖12 六邊形孔散熱器裝配體的模擬仿真溫度分布

圖13 中間填充銅材料的六邊形孔散熱器裝配體的模擬仿真溫度分布

表2 散熱器裝配體的熱模擬仿真最高溫度

由仿真結(jié)果可知圖9中芯片最高溫度為64.5℃，而圖10中芯片最高溫度為62.6℃。芯片總功率為10W，由經(jīng)驗(yàn)公式，每1W功率需要50cm2的散熱面積，10W總功率需要50000mm2的散熱面積。圖9中總散熱面積稍大于由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得所需散熱面積，因此圖9中芯片最高溫度最高。比較圖9和圖10可以得出相似結(jié)構(gòu)的散熱器散熱面積大小是影響散熱效果的主要因素，散熱面積越大，散熱效果越好 (見圖14、表3)。

圖14 散熱器裝配體的結(jié)溫的實(shí)測圖

表3 散熱器裝配體的結(jié)溫的實(shí)測溫度

通過實(shí)驗(yàn)實(shí)測，和模擬分析的結(jié)果對比，模擬分析的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)實(shí)測得結(jié)果十分相近，如圖中是通過測出陶瓷基板的溫度，然后通過公式TJ=RJC×PD+T，TJ為芯片結(jié)溫，RJC為芯片的熱阻，PD為耗散功率，T為陶瓷的溫度，由于芯片的結(jié)溫不可直接測，我們通過測出陶瓷基板的溫度，間接計(jì)算出芯片的結(jié)溫.

圖11和圖12中芯片最高溫度分別為55.9℃和56.9℃。圖11和圖12中總散熱面積遠(yuǎn)大于由經(jīng)驗(yàn)公式推得的芯片散熱所需散熱面積，因此圖11和圖12中芯片最高溫度遠(yuǎn)低于圖9中芯片最高溫度。比較圖11和圖12我們可以得出雖然圖12中正六邊形孔散熱器的總散熱面積大于圖11中圓形孔的散熱面積，但圖12中芯片最高溫度卻高于圖11中芯片最高溫度。這說明圓形孔的散熱性能要優(yōu)于正六邊形孔的散熱性能。而圓形孔的加工也比正六邊形孔的加工要容易，因此開圓形孔比開正六邊形孔好。

圖13中芯片最高溫度為40.6℃。圖13中芯片最高溫度遠(yuǎn)低于圖12中芯片最高溫度。比較圖13和圖12可以得出，在空心圓柱中間填充傳熱性能好的銅，大大改善了散熱器的散熱效果。這說明良好熱傳導(dǎo)可以使傳熱更加充分，更有利于散熱。

5 結(jié)論

通過對三種不同結(jié)構(gòu)散熱器模擬仿真，結(jié)果表明散熱器結(jié)構(gòu)相同時(shí)，散熱面積是影響散熱性能的主要因素，圓形孔散熱性能優(yōu)于正六邊形孔散熱性能，良好熱傳導(dǎo)會大大提高散熱器的散熱性能。這為優(yōu)化散熱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)具有良好散熱性能散熱器具有重要指導(dǎo)的意義。

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