LED散热器散热性能优化分析

褚旭昭 丁同言 杨洁翔 叶 挺 魏 凯

(上海半导体照明工程技术研究中心 (工程部)，上海 201203)

1 引言

LED具有体积小、耗电量低、使用寿命长、高亮度、低热量、环保、坚固耐用、多变幻等优点，被称为继白炽灯、钠灯、荧光灯之后的第四代光源，广泛用于各种室内、户外显示屏，交通信号，隧道、大厦、户外广告牌、公园夜景、机场、地铁、高架立交桥等建筑的景观和白光照明中。然而LED工作时产生的热量不能及时散发掉，不仅会影响其发光效率，而且对其寿命也会有很大的影响。因此如何优化LED照明灯具的散热器结构对提高LED发光效率，增长其寿命都具有重要意义。

2 散热器的结构设计

图1为市面上某一类型的LED器件的热传导部件的示意图。1为芯片，2、3为陶瓷，4为导热胶，芯片的热量传给陶瓷，陶瓷通过导热胶传给散热器。散热器把芯片产生的热量散发到空气中。图2为LED器件的热传导部件的三维模型。

图1 市面上某一类型的LED器件的热传导部件的示意图

图2 LED器件的热传导部件的三维模型

为探讨散热器的散热面积对散热性能的影响，优化散热器的结构，设计了三种不同结构的散热器。

第一种结构

如图3所示扇形叶片散热器，在散热器底座上有一空心圆柱，在空心圆柱的外围分布有30个扇形叶片，扇形叶片侧面与空气接触，主要通过扇形叶片把芯片的热量交换到空气中。

图3 30个扇形叶片的扇形叶片散热器三维模型

如图4所示扇形叶片散热器，其结构与图3中结构相同，扇形叶片个数增加到40个。

图4 40个扇形叶片的扇形叶片散热器三维模型

第二种结构

如图5所示圆形孔散热器，在散热器底座上有一空心圆柱，在空心圆柱上开了163个圆形孔，通过圆形孔把芯片热量交换到空气中。

图5 圆形孔散热器三维模型

第三种结构

如图6所示六边形孔散热器，在散热器底座上有一空心圆柱，在空心圆柱上开了222个正六边形孔，通过正六边形孔把芯片热量交换到空气中。

图6 六边形孔散热器三维模型

如图7所示六边形孔散热器，其结构与如图6所示六边形孔散热器结构类似，在空心圆柱中间填充传热性能更好铜材料。

图7 中间填充铜材料的六边形孔散热器三维模型

3 三种散热器散热面积比较

散热器中与空气接触部分都是具有热交换能力，应作为有效散热面积。

扇形叶片散热器散热面积包括所有扇形叶片侧面积和中间圆柱内、外侧表面积以及底座上表面积。

圆形孔散热器散热面积包括每个圆形散热孔圆柱面的表面积和空心圆柱的内、外侧表面积以及底座的上表面积。

六边形孔散热器散热面积包括每个六边形散热孔各内侧面的表面积和空心圆柱的内、外侧表面积以及底座的上表面积。

通过计算得出图3、图4、图5和图6中散热器的散热面积，如表1所示。

表1 散热器的散热面积

4 模拟仿真及分析

芯片、陶瓷、导热胶、散热器的装配体如图8所示。

图8 芯片、陶瓷、导热胶、散热器的装配示意图

将每个芯片、陶瓷、导热胶、散热器的装配体分别导入CFdesign(试用版)中进行模拟分析，在芯片上加的单位体积热量为10W/mm3。

模拟仿真结果分别如图9、图10、图11、图12和图13所示。散热器装配体模型热模拟仿真最高温度如表2所示。

图9 30个扇形叶片的扇形叶片散热器装配体的模拟仿真温度分布

图10 40个扇形叶片的扇形叶片散热器装配体的模拟仿真温度分布

图11 圆形孔散热器装配体的模拟仿真温度分布

图12 六边形孔散热器装配体的模拟仿真温度分布

图13 中间填充铜材料的六边形孔散热器装配体的模拟仿真温度分布

表2 散热器装配体的热模拟仿真最高温度

由仿真结果可知图9中芯片最高温度为64.5℃，而图10中芯片最高温度为62.6℃。芯片总功率为10W，由经验公式，每1W功率需要50cm2的散热面积，10W总功率需要50000mm2的散热面积。图9中总散热面积稍大于由经验公式计算得所需散热面积，因此图9中芯片最高温度最高。比较图9和图10可以得出相似结构的散热器散热面积大小是影响散热效果的主要因素，散热面积越大，散热效果越好 (见图14、表3)。

图14 散热器装配体的结温的实测图

表3 散热器装配体的结温的实测温度

通过实验实测，和模拟分析的结果对比，模拟分析的结果与实验实测得结果十分相近，如图中是通过测出陶瓷基板的温度，然后通过公式TJ=RJC×PD+T，TJ为芯片结温，RJC为芯片的热阻，PD为耗散功率，T为陶瓷的温度，由于芯片的结温不可直接测，我们通过测出陶瓷基板的温度，间接计算出芯片的结温.

图11和图12中芯片最高温度分别为55.9℃和56.9℃。图11和图12中总散热面积远大于由经验公式推得的芯片散热所需散热面积，因此图11和图12中芯片最高温度远低于图9中芯片最高温度。比较图11和图12我们可以得出虽然图12中正六边形孔散热器的总散热面积大于图11中圆形孔的散热面积，但图12中芯片最高温度却高于图11中芯片最高温度。这说明圆形孔的散热性能要优于正六边形孔的散热性能。而圆形孔的加工也比正六边形孔的加工要容易，因此开圆形孔比开正六边形孔好。

图13中芯片最高温度为40.6℃。图13中芯片最高温度远低于图12中芯片最高温度。比较图13和图12可以得出，在空心圆柱中间填充传热性能好的铜，大大改善了散热器的散热效果。这说明良好热传导可以使传热更加充分，更有利于散热。

5 结论

通过对三种不同结构散热器模拟仿真，结果表明散热器结构相同时，散热面积是影响散热性能的主要因素，圆形孔散热性能优于正六边形孔散热性能，良好热传导会大大提高散热器的散热性能。这为优化散热的结构设计，设计具有良好散热性能散热器具有重要指导的意义。

［1］余桂英，朱旭平，胡锡兵.一种高功率LED射灯的散热设计与实验研究 ［J］.半导体技术，2010(5):443～446.

［2］王爽，熊峰，杨洁翔，俞涛.蓝光LED投光灯具高温老化光电性能研究［J］.半导体技术，2011(1):76～78.

［3］吴军，李抒智，杨卫桥，张建华.功率型LED散热器的研究 ［J］.半导体技术，2010(10):964～967.

［4］黄钰期，俞小莉.紧凑式换热器开孔翅片 流动传热特性分析 ［J］.化工学 报，2009(9):2161～2170.

［5］李静，吕国强，杨军，贺兆昌，张文丙.一种带散热片的螺旋线慢波结构的热模拟与分析 ［J］.真空电子技术，2010(5):19～21.

［6］鲁祥友，华泽钊，刘美静，程远霞.基于热管散热的大功率LED热特性测量与分析 ［J］.光电子激光，2009(1):5～8.