基于热管散热的LED器件封装热分析

第43卷第3期电力电子技术Vol 43009年3月Power ElectronicsMarch基于热管散热的LED器件封装热分析鲁祥友’,华泽钊',谢远来2,刘美静(1.上海理工大学,上海20093;2中国科学院等离子体物理研究所,安徽合肥230031)摘要:大功率发光二极管( Light Emitting Diode,简称IED)结点温度的高低直接影响到LED的寿命和可靠性,故保持LED结温在允许的范围内,是大功率LED封装和应用必须解决的核心问题。提出将扁平热管应用在大功率LED的散热上;比较了扁平热管和铜板两种散热方式下LED的结点温度和热阻的热特性。研究结果表明,在输入功率为3W时,热管冷却LED的结点温度为52℃,而铜板冷却LED的结点温度为83℃,对应的系统总热阻分别为88KW和19KW。由此证明,在大功率条件下,热管的散热能力明显优于传统的铜板散热。关键词:发光二极管;封装;热管/结点温度中图分类号:TN3I2,TK124文献标识码:A文章编号:1000-100X(2009)03-0073-0Thermal Analysis of LED Packages based on Heat Pipe Heat SinkLU Xiang-you', HUA Ze-zhao, XIE Yuan-lai2, LIU Mei-jing(1. University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China2.Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)Abstract: The junction temperature of high-power light emitting diode(LED)has directly influence upon the life time andliability of high power LED, so keeping the junction temperature of LEd in the given range is a key issue being dealtwith during device packing and application of high power LED A new type structure fattened heat pipe cooling device forhigh power LED is brought forward. The thermal conductivity including junction temperature and thermal resistance of LEDis studied in different heat dissipation modes under the same test condition. The obtained results indicate that the junctiontemperature of LED is about 52 C and 83 C for using the heat sink of flattened heat pipe and copper plate respectivelywhen the input power is 3 W, and correspondingly the total thermal resistance of LED system is 8.8 K/W and 19 K/W re-pectively. The heat dissipation property of flattened heat pipe is more excellent than the cooper plate's in the condition ofgh input power.Keywords: light emitting diode; packing; heat pipe/ junction temperatureFoundation Project: Supported by National Natrual Science Foundation of China(No. 50676063): Key Subject Project ofShanghai(No T0503; P0502); Innovation Foundation for Graduate Students of Shanghai1引言2试验用热管及试验条件半导体照明有可能成为替代白炽灯、荧光灯的21试验用热管及测温点分布新型固体光源,是21世纪最具发展前景的高技术扁平热管由蒸发段、绝热段和冷凝段组成,其测领域之一,将创造照明产业的第4次革命2。但温点分布如图1所示。管内壁上敷设丝网毛细结构是,与现有照明灯具相比,发光效率低和散热能力吸液芯,大功率LED用导热绝缘胶封装在蒸发段管差是大功率发光二极管( Light Emitting Diode,简称壁上。热管运行时,液体工质在蒸发段内吸收热量而ED)面临的主要技术瓶颈。目前LED的发光效率蒸发,产生的蒸汽从蒸汽腔流入冷凝段,在冷凝段被仅能达到10%-20%,还有80%-90%的能量转换成冷却放出热量而冷凝成液体,在毛细结构丝网产生了热量,LED芯片的热流密度超过了100Wm2,所的毛细力作用下再回流到蒸发段,如此形成了一个以散热对LED的意义重大。在此将相变传热的工质的流动循环和热量传递过程。扁平热管技术引入到大功率LED散热的试验研究蒸发段70mm)中,并在相同的条件下,与传统的LED铜板散热模块进行了热性能比较。基金项目:国家自然科学基金資助项目(506760653);上海市中国煤化工Q重点学科建设项目(T0503;P0502);上海市研究生CNMH创新基金项目定稿日期:2008-08-1图1热管冷却LED测温点布置示意图作者简介:鲁样友(1973-),男,安徽灵壁人,博士生,研究方试验用热管为铜-水热管,即热管材料为铜,工质向为光电子器件热物理是二次蒸馏水,热管的厚度为5mm,宽度为15mm第43卷第3期电力电子技术VoL 43 No. 32009年3月Power Electronics总长度为160mm。毛细结构为500目的铜丝网,厚相同。分析图3可知,当P<0.7W时,铜板的散热效度为0.25mm。温度采用铜-康铜热电偶(T型)测量,果比热管好;而当P>0.7W后,热管的散热效果明测温点分布:T-T为蒸发段测温点,T6-T为绝热段显优于铜板;在P=3W时,热管冷却LED的结点测温点,To-Tu为冷凝段测温点,Ts,Ti为LED管温度T=52℃,而铜板冷却LED的结点温度Tc脚测温点。83℃。分析其原因可知:在P<07W时,热管没有22实验条件完全启动起来,而热管里充装的是工质水,水的导LED输入功率01~3W;LED电源为恒流源;充热系数远比铜小得多,热管的综合导热系数远比铜液率(工质体积与蒸发段总体积之比)50%;冷凝段板小得多,此时热管和铜板的传热方式主要都是导釆用自然风冷却,风速约1ms,由风速仪测定;蒸汽热;当P>0.7W时,热管启动成功,此时热管综合导压力采用压力传感器测量;环境温度为25℃。热系数比铜板要大几个数量级。这也恰恰证明了当3LED结点温度测量理论P较小时,靠传统的铜板或者铝板等即可将LEDLED结点温度测量方法主要有红外摄像法、正散发出来的热量移走,而当P较大时,仅靠导热已向电压法、管脚法和蓝白比法等,采用管脚法测量经难以满足LED的散热需要此时相变传热则可能LED的结点温度。通过换算可得结点温度和LED芯是一个很好的选择。片耗散的热功率分别为TTP+PROpP, P=UrP(1)式中:T为管脚温度;U,l为加在LED器件上的驱动电压和电P为LED发光功率;R6为从结点到管脚的热阻系数,由厂家给出。2通常规定LED结点温度不高于110℃,即TT+(UP)R6yp≤110℃(2)图3不同散热方式的LED结点温度4试验结果与分析4.3大功率LED的热阻特性分析41热管冷却LED的启动和关闭特性图4示出LED散热系统热阻模型。大功率LED图2示出扁平热管冷却大功率LED启动和关散热系统总热阻为:闭时的温度曲线(输入功率为1W)。热管的启动性△和稳定操作温度是用来评价大功率LED芯片散热用扁平热管性能的一个非常重要的参数。分析图2式中P为LED耗散的热功率;7为环境温度。可知,所设计的热管性能非常优异,在7min内能够迅速启动,稳定性好;LED的结点温度始终被控制粘结材料在约38℃,很好地满足了大功率LED对散热结点导热绝缘胶温度稳定性的要求。在启动的工况下,结点温度迅■■■■■国■■■■■■国散热装置速上升,而在关闭工况下(电源关闭),结点温度迅4LED散热系统热阻模型速下降,这说明LED结点的蓄热能力较弱,如果没图5示出在铜基板和扁平热管两种不同的散热有一个很好的散热装置及时把结点产生的热量取方式下系统的热阻曲线走,那么热量会很快在结点积聚起来,从而影响件的安全运行图5两种不同散热方式下系统的热阻曲线知在P25W时,铜板散7方数据基于热管散热的LED器件封装热分析热器与环境之间的热阻REAc明显上升,说明铜板相变传热的扁平热管应该是一个很好的散热装置。此时开始积温,已经不能够及时地把LED发出的热量移走,热管蒸发段与环境之间的热阻RAn明参考文献显降低说明此时热管的性能开始优化,可以及时 [I Hsu J T, Han W K, Chen C,eta. Design of multichi地把LED发出的热量移走。此时热管的散热能力LED Module for Lighting Application[A)Proc. SPIE 4776(CH明显优于铜板散热。5结论[2] Kim L, Choi J H, Jang S H,et al. Thermal Analysis of LED(1)提出将扁平热管用于大功率LED散热的方Array System with Heat Pipe [].Thermochimica Acta, 2007法,研究了扁平热管和铜板两种散热方式在大功率455:21-25LED散热中的热性能,在输入功率为3W时,热管ang,Jgs,HwaW, al.Thermal Analysis of High冷却LED时的结点温度为52℃,而铜板冷却LED时的结点温度为83℃,对应的系统总热阻分别为{ Arik M, Weaver SChip Scale Thermal Management of High88K/W和19K/W。Brightness LED Packages[A). Proc. of SPIE 5530(C).2004(2)在输入功率小于07W时,铜板具有较好的214-223.散热效果,在输入功率为25W时,铜板开始积温,(5苏达,王德苗大功率LED散热封装技术研究的新进而热管的性能开始优化,说明LED的功率增大时,展J电力电子技术,2007,41(10):13-15(上接第64页)形。由图可见,该整流器可基本实现单位功率因数运行,且在控制器中加入陷波滤波器后,网侧电流得到了明显的改善,电流波形更加正弦化>41.02L.041.06I.08L.I1.021.04.06.08L.(a)电反馈值(b)网侧电流给定值峰值4未加滤波和经过滤波的仿真波形图4b示出P控制器输出的网侧电流给定值峰a)传统控制策略值的波形,其中,“分别为传统控制器和经过陷波(b)新的控制策略图6网侧电压和电流的实验波形滤波后的PI输出波形。仿真和实验结果验证了该方法的正确性为进一步验证该方法的正确性,实际搭建了小6结论功率单相PWM整流器,采用TMS320F2812作为控针对单相PwM整流器输出直流侧电压二次波制器。系统参数:U=1471V,L=23mH,C=8800μF,动使网侧电流存在较大谐波,对电网造成污染的问直流侧给定电压U=200Vf=f=25kHz题,探讨了一种抑制直流电压二次谐波影响的新控图5示出当该单相PWM整流器稳定运行于输制器,并与传统的控制算法进行了比较。通过仿真和出电压为20ⅴ时,由DSP采集的直流侧电压波形。实验证明,该控制器能有效消除直流侧电压二次波其中u为直接从整流器直流侧采集回来的电压波动对网侧电流的影响从而改善网侧电流波形,降低形,ux为a经过陷波滤波器后的波形。谐波含量。参考文献[张崇巍,张兴pPwM整流器及其控制M北京:机械工业出版社,20032]王成智邹去屏基于SPWM调制的单相大功率整流器果样点个数图5实际系统电压采集值研究U电力电子技术,2008,42(6):69-71由图4,5可见,在单相PwM整流器控制器中8中国煤化工策略研究与仿真加入陷波滤波器,可有效抑制直流侧电压的二次波4宋CNMH动对网侧电流的影响,从而消除网侧电流中的部分m硎m疋崝波改善控制方法电气应用,2008,27(12):45-48.3次及更高次谐波。5]郑波祥李华陷波滤波器在TMS320F240上的实现U图6示出传统和新的控制策略下的电压电流波应用科技,2004,31(1):32-33