LED路灯热分析及散热结构设计

第9卷第5期电子与封装总第73期ELECTRONICS PACKAGING2009年5月LED路灯热分析及散热结构设计张琦,陈旭(天津大学化工学院,天津300072)摘要:LED作为第四代照明光源已被广泛应用于显示和照明系统设备,但由于其光电转化率较低,大部分电能实际转化成了热量,所以如何提高其散热能力是大功率LED实现产业化亟待解决的关键技术之一。文章以某公司LED路灯为模型,釆用 ANSYS有限元软件对其进行参数化建模及热分析,得出了其稳态的温度场分布,在此基础上通过设计正交实验,分析了铝制热沉不岡结构参数对其温度场的影响情况。由最终的结果可知,在合适的范围内使散热器翅片的厚度和间距较小一些,可得到较为理想的优化结构,既能控制片的最高温度,又有效地减小了散热器的质量文章LED路灯算例得到优化的质量为原质量的33.40%关键词:大功率LED;热沉;热分析中图分类号:TN30594文献标识码:A文章编号:1681-1070(2009)05-004405Thermal Analysis and Structural Design of Heat Sink of LED Street LampZHANG QL, CHEN Xu(School of Chemical Engineering and Technology, Tianj in University, Tianjin 300072, China)Abstract: Light-emitting Diode(LED), the fourth generation light, has already been widely used in illumination devices,but the transformation efficiency ofelectricity to light is still low, so how to improve the capability of the heat sink become oneof the key technical issues for the industrialization of high-power LED Based on a real street lamp of LED companya parameterized model and thermal analysis with ANSYS software for high-power LED was obtained. The steady-state temperature fields of LED with difference of structure dimensions of the heat sink were compared usingal edesign, and an optimized model which can not only limit the highest temperature on LED,but also decrease the mass of the heat sink was obtained by reducing the thickness and separation of fins of the heatsink. a case analysis of LED street lamp shows that optimized weight reduces to 33. 40% of original weight.Key words: high-power LED; heat sink; thermal analysis要求多个LED组合而成,从而造成LED密集度较大。1引言但由于LED的光电转换效率不高,大约只有15%-20%左右电能转为光输出,其余均转换成为热与普通光源比,大功率LED具有省电、寿命长能,因此当大量LED集中工作时,将会产生大量的及反应时间快等优点以,在城市景观、LCD背光板、热量。若不能使这些热量尽快有效地耗散,随之而交通标志、汽车尾灯照明和广告招牌等方面有着广来的热效应将会变得非常明显,致使结温上升,减泛的应用。LED芯片的表面面积小,工作时电流密少e. YH中国煤化工下降,加快芯片老度大,单颗LED的输出光束低,所以照明设备大多化CNMHG片输入功率的不稿日期:2008-11-15第9卷第5期张琦,陈旭LED路灯热分析及散热结构设计断提高,因散热问题牵扯到光、电、色等一系列的在实际情况中热量沿以下路径传递芯片·导问题显得更加突出4,因此对该结构进行热分析和电胶PCB板-导热胶·散热器。本文主要研究该LED优化设计就变得异常关键的散热器结构优化,故建模时假设PCB板是各向在设计LED发光器件时,为了较好地控制结温,性的,并忽略导电胶和导热胶,且由于该灯对称,取良好的散热设计主要是出于以下考虑:一方面改善1/2建模,模型如图2所示器件内部封装结构,提高发热芯片向外壳传导热量对与空气中接触的散热器外表面均设为自然对的能力;另外一方面提高外壳向外界散热的能力。流,对流系数为10W(m2K),由于灯罩的密封本文利用 ANSYS有限元分析软件,对某公司作用,模型其他表面均定义为绝热。每个芯片的输LED路灯的散热结构进行了参数化设计及热分析,入功率W,其中15%转化为光能,85%转化为热能并通过设计正交实验,分析了铝制热沉各结构尺寸所以将(37X10°)Wm3的生热率载荷施加于芯片变化对其温度场的影响情况,最终得到较为理想的实体上,环境温度均假设为25℃,定义各种材料属优化结构,达到了在散热效果基本不变的前提下,性(见表3)。降低散热器用料,控制成本的目的。对模型网格划分后进行有限元计算,得出模型的稳态温度场,由结果(见图3)可知模型最高温度2模型的建立与热分析为43.84℃,出现在原模型中心两列从底部数第三个芯片上,由于该芯片处在中心两列,且底侧为散热本文的分析原型为某公司的SMRL-10l路灯(见器的固定结构,而无散热翅片,故温度较高。图1),所用到的主要参数见表1和表2。MAAAA2mm x 2mm x 0.5mm图1某公司SMRL101路灯表1LED封装中材料热性能参数图2原LED实体模型图SM-RL-101路灯主要参数表3LED中元件材料热性能参数总功率整体外形尺寸410mmx300mmx80mm元件热传导率/W(mt)LED芯片数量LED芯片1256LED芯片尺寸Immxlmm x023mmPCB板厚度铝制散热器2382mm散热器质量表2原型铝制散热器的结构尺寸3散热结构的参数化建模及优化设计散热器结构尺寸/mm3参数化建模翅片厚度中国煤化工效计,本文使用翅片间距ANS翅片高度CNMHG了参数化模型APD性、解释性语言底板厚度6类似于 FORTRAN,可提供一般程序语言的功能,如第9卷第5期电子与封装参数、宏、标量、向量及矩阵运算、分支、循环、重本次建模使用APDL,首先建立所要设计的散复以及访问 ANSYS有限元数据库等,可以用 if-then-热器结构参数(翅片厚度、翅片间距、翅片高度、底else分支结构和do循环及用户指令生成执行一系列板厚度)间的结构关系,然后利用 if-then-else分支任务的宏,因此在同种问题多次建模的过程中具结构分别建立散热翅片数为奇数和偶数的模型。有广泛的应用。3.2正交试验设计法及模拟结果正交试验设计法具有完成试验要求所需的实验次数少、数据点分布均匀、可用相应的极差分析方法等对试验结果进行分析等优点。本文为了缩小模拟的运算规模,分析散热器各结构尺寸变化对其温度场的影响情况,所以设计正交试验对该参数化模型进行多次热分析。把影响最终温度场分布的四个散热器结构参数作为因素,每个因素取5个水平(见表5至表8),以散热器质量和芯片最高温度为试验指标,选取正交表L35(56)图3原模型热分析结果图过程及结果如表4所示表4正交试验模拟结果表序翅片厚度翅片间距翅片高度平板厚度mmm短片数长片数散热器质量与模型比重芯片最高温度43.864342101.043.77884745.0545.33.56482884501944524125.1392945876799778850.5347.5483.723.13572.9146.4.010844016170679623345.852.26652.70472126127441.9554.743964中国煤化工43.7216801CNMHG4144251214549.884131第9卷第5期琦,陈旭:LED路灯热分析及散热结构设计3.3结果数据分析翅片间距增加,散热器质量减小,芯片最高温度增通过表4的结果数据可看出第22号模型的结构加;随翅片高度增加,散热器质量增加,芯片最高最为理想,该模型的芯片最高温度为43.72℃,小于温度减小;随平板厚度增加,散热器质量增加,芯原模型的43.84℃,但其质量仅是原模型的3340%,片最高温度减小。因此如果选用该模型,可达到在散热效果基本不变的前提下降低散热器用料、控制成本的目的表8平板厚度对试验指标的极差分析表利用极差分析方法对表4中正交试验模拟结果水平序号翅片高度 mm w/kgT℃进行分析(见表5~表8),将数据绘图如图4图73823429243.42表5翅片厚度对试验指标的极差分析表3.6203.26543.47水平序号翅片厚度/ mm w/kg44.492.45644.983.818极差13672.0603.309注:同表5。2.73743.14鲁牧热器量极差2.140算}萬芯片最高温度注W为该因素水平对应的散热器质量的平均值;T为该因素水平对应的芯片最高温度的平均值;极差等于各试验指标平均值中的最大值减最小值。表6翅片间距对试验指标的极差分析表水平序号翅片间距/ mm W/kg2.95446.1041300945.01翅片厚度/mm3.143.823.33342.76图4翅片厚度一试验指标关系曲线3.68741.26极差0.7334.840■散热器质算翼芯片最高温度注:同表5。45表7翅片高度对试验指标的极差分析表水平序号翅片高度 mm W/kg41.78能d3.361426144.672.885翅片间距mm极差0.780图5翅片间距试验指标关系曲线注:同表5中国煤化工表8中各因素对对由表5~表8和图4图7可得出:随着翅片厚试验指CNMH热器各结构参度的增加,散热器质量增加,芯片最高温度增加;随数对散热器质量及芯片最高温度影响大小的情况。第9卷第5期电子与封装对散热器质量的影响由大到小的因素依次为:翅的材料成本将下降近40元,由此可大量降低大功率片厚度、平板庳度、翅片高度、翅片间距。对芯LED的成本,节约材料。片最高温度的影响由大到小的因素依次为:翅片在对所有的模型进行分析后,发现模型边缘温间距、翅片高度、平板厚度、翅片厚度。综上所度较低,而最高温度均出现在同一芯片上,原因是述,在设计翅片式大功率LED散热结构时,应在由于需要固定散热器,该芯片底部没有散热翅片合适的范围内使翅片的厚度和间距尽可能小一些,因此考虑利用散热器的边缘作为固定位置,而将原这样可以同时有效地减小散热器的质量,控制芯模型缺少的翅片补齐,则最高温度出现在处于整个片的最高温度。模型最中间的芯片上,且最高温度仅41.74℃,比原模型低2.1℃,可见原散热器为固定而设计的中间无散热器质量舞萬芯片嫩高温度翅片结构对于散热影响较大。当然还可以考虑其他固定散热器的形式,以避免原模型造成的散热不良45参考文献:and Supply( Z]. Chain Relationships for Solid-State Light41[2] David G Pelka, Kavita PateL. An Overview of LED Applidings of SPIe,图6翅片高度-试验指标关系曲线20045(186:15-263]齐昆,陈旭大功率LED封装界面材料的热分析门电子封装,2007,7(6):8-13条某芯片敝高温度[4 James Petroski. Thermal Challenges Facing New Generation[. Proceedings of SPIE, 2002, 4776, 215-222.與3[5]钱可元,胡飞,吴慧颖大功率白光LED封装技术的研究门半导体光电,2005,26(2):l18126]张雪粉,陈旭功率电子散热技术电子与封装,2007,7]博弈创作室APDL参数化有限元分析技术及其应用实例505560[M]北京:中国水利水电出版社,2004平板厚度/mm8]冯亚云化工基础实验M北京:化学工业出版社,200图7平板厚度·试验指标关系曲线作者简介4结论及展望张琦(1985-),男,山东广饶人天津大学化工学院,硕士研究生,主要本文利用 ANSYS有限元分析软件,对大功率从事结构热分析及功率电子封装的研LED进行了热分析,并通过设计正交实验,分析了究翅片式铝制热沉各结构参数变化对其温度场的影响陈旭(1962),男,浙江衢州人,情况,并得到了较为理想的散热结构模型。如选用中国煤化工微电子封装及可靠性表4中最优的第22号模型,按每吨标准合金压铸铝研CNMHG锭约135万元计算,则每个大功率LED路灯散热器