LED散熱器散熱性能優化分析

褚旭昭 丁同言 楊潔翔 葉 挺 魏 凱

(上海半導體照明工程技術研究中心 (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、環保、堅固耐用、多變幻等優點，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、戶外顯示屏，交通信號，隧道、大廈、戶外廣告牌、公園夜景、機場、地鐵、高架立交橋等建筑的景觀和白光照明中。然而LED工作時產生的熱量不能及時散發掉，不僅會影響其發光效率，而且對其壽命也會有很大的影響。因此如何優化LED照明燈具的散熱器結構對提高LED發光效率，增長其壽命都具有重要意義。

2 散熱器的結構設計

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

圖1 市面上某一類型的LED器件的熱傳導部件的示意圖

圖2 LED器件的熱傳導部件的三維模型

為探討散熱器的散熱面積對散熱性能的影響，優化散熱器的結構，設計了三種不同結構的散熱器。

第一種結構

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個扇形葉片，扇形葉片側面與空氣接觸，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，其結構與圖3中結構相同，扇形葉片個數增加到40個。

圖4 40個扇形葉片的扇形葉片散熱器三維模型

第二種結構

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

第三種結構

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，其結構與如圖6所示六邊形孔散熱器結構類似，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面積和中間圓柱內、外側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圓形散熱孔圓柱面的表面積和空心圓柱的內、外側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六邊形散熱孔各內側面的表面積和空心圓柱的內、外側表面積以及底座的上表面積。

通過計算得出圖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、導熱膠、散熱器的裝配體如圖8所示。

圖8 芯片、陶瓷、導熱膠、散熱器的裝配示意圖

將每個芯片、陶瓷、導熱膠、散熱器的裝配體分別導入CFdesign(試用版)中進行模擬分析，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，由經驗公式，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驗公式計算得所需散熱面積，因此圖9中芯片最高溫度最高。比較圖9和圖10可以得出相似結構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 散熱器裝配體的結溫的實測圖

表3 散熱器裝配體的結溫的實測溫度

通過實驗實測，和模擬分析的結果對比，模擬分析的結果與實驗實測得結果十分相近，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，由于芯片的結溫不可直接測，我們通過測出陶瓷基板的溫度，間接計算出芯片的結溫.

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中總散熱面積遠大于由經驗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。這說明良好熱傳導可以使傳熱更加充分，更有利于散熱。

5 結論

通過對三種不同結構散熱器模擬仿真，結果表明散熱器結構相同時，散熱面積是影響散熱性能的主要因素，圓形孔散熱性能優于正六邊形孔散熱性能，良好熱傳導會大大提高散熱器的散熱性能。這為優化散熱的結構設計，設計具有良好散熱性能散熱器具有重要指導的意義。

［1］余桂英，朱旭平，胡錫兵.一種高功率LED射燈的散熱設計與實驗研究 ［J］.半導體技術，2010(5):443～446.

［2］王爽，熊峰，楊潔翔，俞濤.藍光LED投光燈具高溫老化光電性能研究［J］.半導體技術，2011(1):76～78.

［3］吳軍，李抒智，楊衛橋，張建華.功率型LED散熱器的研究 ［J］.半導體技術，2010(10):964～967.

［4］黃鈺期，俞小莉.緊湊式換熱器開孔翅片 流動傳熱特性分析 ［J］.化工學 報，2009(9):2161～2170.

［5］李靜，呂國強，楊軍，賀兆昌，張文丙.一種帶散熱片的螺旋線慢波結構的熱模擬與分析 ［J］.真空電子技術，2010(5):19～21.

［6］魯祥友，華澤釗，劉美靜，程遠霞.基于熱管散熱的大功率LED熱特性測量與分析 ［J］.光電子激光，2009(1):5～8.