基于立體散熱拓撲LED照明的實驗與數值研究

胡民浩 席儉飛 高 輝

(陜西唐華能源有限公司，陜西西安 710100)

1 引言

基于無機寬禁帶半導體材料電致發光技術，由于使用摻雜技術，存在材料品質和位錯，以及外延工藝上引入的各種缺陷，使得產生雜質電離、激發散射、與晶格散射等問題，最終使得電子在由激發態往基態躍遷過程中與晶格原子或者離子交換產生無輻射躍遷，以發射聲子的形式產生熱量［1］。目前的外延工藝和芯片制作水平，量產的LED光源熱功率占到整個光源功率的80%左右，因此LED照明燈具的散熱設計至關重要。散熱不好會降低照明效率，高溫還會使得LED發生色坐標漂移、壽命衰減加速等等。

伴隨半導體照明技術的不斷發展，相應的LED照明燈具的散熱手段也越來越多。主流的已應用于半導體照明燈具的散熱方式有以下幾種［2］:(1)純型材自然風冷:優點是成本低、結構簡單可靠、加工裝配方式簡單;缺點是體積龐大、重量高、散熱效率低。(2)型材加風扇強制風冷:優點是結構簡單，散熱效率大于風冷;缺點是功耗增加，不利于LED節能環保的優勢凸顯，有噪音，風扇的防塵防水能力不強，使得應用受到局限。(3)熱管:優點是重量輕、有較大的傳熱能力、較高的等溫性、熱流密度可變性;缺點是體積較為龐大、在極端工況下，當熱負荷較高時，氣液之間的不穩定性增加、減少了凝結液回流至蒸發段蒸發，會造成蒸發段溫度突然上升，使得熱管因高溫而損壞或者失效。(4)合成射流冷卻:優點是合成射流可以代替傳統的風扇，通過隔膜的運動，可以引起氣流在開口處的周期性往復運動，從而打破了既有的湍流層流邊界層，引發射流冷卻，從而使得效率較高，散熱體積小;缺點是成本較高，并且需要消耗電能。(5)遠紅外輻射散熱:優點是結構簡單，增加外殼散熱能力，減緩外殼氧化;缺點是增加輻射的同時也會吸收輻射，受使用環境的限制，同時使得工藝增加、成本提高。(6)微尺度復合相變散熱［3］:優點是取熱能力強，體積小、重量輕、均溫性高;缺點是充裝工藝對技術要求較高、導致成品后使用成本較高。

其他的見諸文獻報道的LED散熱技術如華中科技大學劉勝、羅小兵老師課題組的微噴射流冷卻技術［4］，曾成功應用于1500W LED封裝光源的散熱;中科院理化技術研究所劉靜課題組的納米金屬散熱［5］，開發出了具備良好散熱能力的200W集成光源的納米金屬散熱器原型;天津工業大學牛萍娟等研究的基于熱電制冷的LED散熱技術［6］等等。

以上種種散熱技術固然技術領先，但是基于成本等原因實際用于半導體照明燈具的大多數仍是型材或者壓鑄散熱器，所以對型材或者壓鑄散熱器進行拓撲優化當前依然具有重要的意義，可以減輕燈具重量，節約成本，以更利于達到半導體照明節能環保的期許。基于上述背景，胡民浩教授提出了立體散熱拓撲的概念和散熱模組，并成功應用于LED大功率功能性照明。經幾年來多案例應用充分證明，這一全新的立體散熱技術結合LED熱源特點，充分利用熱對流現象加速空氣場的風對流，并遵循空氣動力學原理以及相關材料熱特性，完全滿足各種場合LED功能性燈具的散熱要求。

本文正是在此拓撲結構的基礎上進行了實驗和數值仿真分析，結果表明，該散熱器在極端工礦的情況下，具有在較大空間范圍內使得靜止空氣加速流動的效果，較好的解決了型材散熱器笨重的問題;但是散熱器的均溫性仍有待進一步的提高，體積仍稍顯龐大，這將是下一步工作的重點，重點將在優勢拓撲的基礎上進行形狀優化和尺寸優化，基于該散熱拓撲結合場協同原理來定量的優化散熱器的百葉窗結構。

2 立體散熱拓撲模組架構

本文研究的對象如圖1和圖2所示，分別為立體散熱單模塊和模組，燈具以單模塊為核心組合成各個功率模塊，每個功率模塊具有獨立的光電色、防水功能。每個模組可以藉由單個模塊進行疊加構造空間拓撲，而每個模組可以組合成更大功率數的燈具模組。單模塊為鋁型材沖壓折彎成型，當模組拼接在一起時形成的散熱拓撲結構，在極限工況的情況下，即空氣靜止狀態下，由于空氣的熱脹冷縮，引發大范圍內的空氣流動加速，從而打破既有的層流湍流邊界層，實現了更有效的散熱效果。最終使得在耗費較少材質的情況下散熱效果依然良好，使得燈具的重量減輕。不僅如此，模組化設計使得加工方便，成本低廉，同時可以形成產品家族，從而使得產品的綜合性價比得以提升。

圖1 立體散熱模塊Fig.1 Single module of stereo heatsink

圖2 立體散熱模組Fig.2 Module of stereo heatsink

3 立體散熱模組實驗與測試

3.1 模組實驗與測試

本論文論證的對象為圖3所示的工礦燈模組，實驗溫度使用JK-8A多路溫度巡檢儀采樣。圖4標識分別為光源焊點溫度、近基板溫度、沖壓翅中部溫度、各個單模塊根部溫度。在室內無風環境模擬燈具實際安裝狀況進行試驗。環境溫度為35℃左右，在40分鐘左右溫度不再變化時，即達到穩態的時候，以上溫度值按照注釋序號分別為39.6℃、35.4℃、40.5℃、43.7℃、39.2℃、43.2℃、47.2℃、40.2℃、44.6℃、59.8℃。從以上的實驗結果可以對所用散熱模組的散熱性能進行表征，近基板溫度為59.8℃，散熱模組最低溫度為35.4℃，溫差為24.4℃，基本滿足散熱器溫升小于25℃的要求。在實驗中還發現，近基板溫度的上升有一個逐步上升然后比穩態要高出3～4℃的峰值，然后才會趨于穩定，熱瞬態響應與散熱設計時的熱容有關，類似于電路中的電容充電，尤其會產生熱脈沖沖擊，會對結溫產生一定程度的影響，關于散熱器的熱容設計瞬態響應及其對結溫及可靠性的影響問題具體將另外撰文詳述。

圖3 工場燈模組Fig.3 Module of Spot Light

圖4 模組測溫點Fig.4 Point for measuring temperature

3.2 集成光源結構函數測試

依照JESD-51的標準，使用T3ster對所使用的集成光源的熱阻特性進行測試，測量該集成光源依照的測試原理為［7］:在給集成光源加上熱功率Pth一段時間以后，光源的結溫會逐漸下降，其熱瞬態響應函數可以寫為公式 (1)。

式中 Ta——環境溫度;

τ——時間常數;

R(τ)——時間常數譜，其中時間常數τ為熱阻R和熱容C的乘積。

然后令z=ln(t)，可以得到公式(2)。

把公式(2)對兩邊求導，可以得到公式(3)。

由公式 (3)通過對卷積型微分方程的反卷積算法的求解，即可以得到時間常數譜R(z)，然后通過Foster模型和Cauer模型把各個熱阻疊加［8］～［10］，即可以得到類似于圖 5結果的微分形式的結構函數。

使用不同陶瓷散熱基板及熱電分離銅基板的熱阻結果通過圖5可知:光源溫升分別約為12℃和14℃。實際測試模組散熱器近基板最高溫度為59.8℃，所以可以保證芯片結溫工作在75℃以下，基于國外芯片廠家的測試數據，在燈具其他部分不出現異常的情況下理論上可以保證燈具光源具有5萬小時的壽命。

圖5 不同基板集成光源熱阻值Fig.5 Thermal resistance value of light

4 立體散熱模組數值仿真

為了進一步對立體散熱模塊架構的立體散熱模組進行合理的布局、以至于外形優化、尺寸優化、很有必要采用有限元數值模擬的手段來進行仿真。從而可以使得器件獲得更低的結點溫度，散熱器獲得更均衡的溫度分布，最后達到體積更小，整個燈具更加時尚輕薄的效果。數值仿真使用k－ξ模型，采用二階迎風格式，環境參數與測試狀況一致。由于模組水平放置，所以結構具有對稱型，為了降低對計算機性能的依賴，提高運算速度，仿真中采用1/4模型進行。仿真結果如圖6所示。結果表明散熱拓撲模組最高溫度為60.3℃。

圖6 數值仿真結果Fig.6 Result of numerical simulation

在本次模擬結果的指導下，優化了該模組的初始布局，使得整個散熱模組架構的空間分布趨于合理化。

5 結果與討論

實驗與有限元分析采取同一拓撲模組，通過對比實驗與仿真的結果，發現結果基本一致。通過數值仿真的手段，可以對已有的拓撲模型、空間形狀、具體尺寸進行進一步的調整和優化，從而在不影響散熱效果的前提條件下，使得整個模組更加輕薄。

由實驗和數值分析的結果可以發現:由于中間空氣流速較慢，速度場與溫度場沒有達到較佳的協同一致性，使得中間翅片的溫度偏低，可以縮短中間翅片的長度，增加下部和上部翅片的長度，這樣更有利于整個模組均溫性的提高，從而可以提高散熱效率，降低燈具成本。

以上為極限工況下模組工作時的溫度狀況，在實際應用中，由于室外無風的狀況幾乎是不存在的，所以實際使用的狀況會優于實驗時的狀況，使得器件工作在更低的結點溫度下，從而保證了燈具的壽命，使得燈具色坐標不會發生漂移，保證了燈具設計的舒適性和安全性。

6 結論

本文提出的立體散熱模組的拓撲，可以用于集成光源大功率半導體照明領域。對所使用的集成光源使用T3ster熱阻測試儀進行了測試，以80W工場燈為例進行了熱測試實驗和響應的數值仿真，可以得到以下結論:

(1)對比實驗數據該系統具有良好的散熱能力，在極限工況下，該散熱模組達到穩態時，結點溫度最大值為74.4℃。可以保證集成光源的結點溫度在75℃以下，從而為燈具正常點亮5萬小時提供了理論依據。

(2)對比實驗與仿真的結果還可以發現，近基板溫度相差0.6℃，具有較高的一致性，進一步佐證了數值分析手段在散熱設計上的有效性。

(3)實驗與模擬結果還表明，溫度場與速度場還沒有完全的一致，在更改了空間架構以后得到了更好的效果，當然依照場協同原理可以進一步的優化。

［1］K.W Gerhand.Rigorous thermodynamic treatment of heat generation and conduction in semiconductor device modeling.IEEE transaction on computer-aided design，1990，9(11):1141～1149.

［2］唐大偉.LED散熱技術的現狀與發展趨勢.www.ledth.com，2012.

［3］Zeng Dehuai， Liu Yuan， Jiang Libo，etc.A Novel Manufacturing Approach of Phase-change Heat sink for High power LED.Energy Procedia，2012，8(17):1974～1978.

［4］羅小兵，劉勝，江小平 等.基于微噴射流的高功率LED散熱方案的數值和實驗研究 ［J］.中國科學，2007，37(9):1194～1204.

［5］馬坤全，劉靜，周一欣.熱驅動液態金屬芯片散熱器的功率特性 ［J］.工程熱物理學報，2008，29(9):1588～1590.

［6］高大永，牛萍娟.基于熱電制冷的大功率LED低熱阻集成封裝的研究 ［D］.2011:天津工業大學.

［7］張海兵，呂毅軍，陳煥庭，等.利用結構函數分析功率型LED的熱特性.光電子.激光，2009，20(4)，454～457.

［8］Szekely V.Identification of RC network by convolution:Chances and Limits［J］.IEEE Transactions on Circuits and Systems I-Regular Papers，1998，45(3):244～258.

［9］Micred.Properties of the structure function and its use for structure identification and for compact model generation［J］.［EB/OL］www.micred.com/strfunc.html，2000.

［10］Szekely V.On the representation ofinfinite-length distributed RC one-ports［J］.Circuits and Systems［J］.IEEE Transactions on，1991，38(7):711～719.