大功率LED熱管散熱器研究

田 水 楊 峻 王海波

(1.南京工業大學機械與動力工程學院，江蘇南京 211816;2.南京工業大學電光源材料科學研究所，江蘇南京 210015)

1 引言

LED作為新一代的照明光源，相比于傳統光源具有工作壽命長、功耗低、亮度高、體積小等優勢，因而受到越來越多的關注。LED芯片正朝著小體積和大功率兩個方向發展，但是其發光效率目前僅有10%～20%，也就是說有高達80%～90%的電能直接轉化為了熱量［1］。目前應用于照明的大功率LED(功率＞1W)芯片尺寸大多在1mm×1mm以上，熱流密度超過了100W/cm2，如果芯片的熱量不能及時散發出去，芯片的結點溫度過高會降低其發光效率和可靠性，會使芯片老化甚至失效，這是制約大功率白光LED光源發展的重要瓶頸。為了保證LED器件的正常工作和使用壽命，一般要求結點溫度不超過80℃。若要實現大功率LED的規模化應用就必須解決其散熱問題，對于這方面的問題，無論是從內部材料或封裝還是外部輔助工具，國內外已經就此進行了諸多研究。

C.C.Hsu等［2］研究了一種可以有效降低熱阻的用于LED封裝的金屬粘結方法。余彬海等人［3］分析了芯片襯底材料對大功率LED的熱特性的影響機制，以三類典型粘接材料為例計算了不同厚度下的熱阻。李炳乾［4］采用金屬線路板和板上芯片技術，在金屬線路板上直接制作反光杯，用以降低系統熱阻。

Yueguang Deng［5］等提出了一種利用液態金屬(GaIn20)作為介質的循環冷卻系統并進行了試驗研究，與工作介質為水相比，此系統具有很高的散熱能力。魯祥友［6］等對回路熱管散熱裝置做了試驗，證明其能夠滿足大功率LED的散熱要求。Lan Kim［7］等建立了熱虹吸管散熱模型，極大地降低了LED的結點溫度。羅小兵［8］等提出了一種基于微噴射流的大功率LED散熱裝置，實驗結果表明該系統具有極高的散熱效率。袁柳林［9］對LED芯片的交錯微流道制冷結構進行了分析，結果顯示這種結構能很好地滿足大功率LED陣列的散熱需要。除此之外還有人對熱電制冷用于大功率LED散熱做了研究與分析［10］。

針對大功率LED的熱量管理，本文研制了一種基于熱管的散熱裝置，它利用了熱管散熱技術與強制對流散熱技術，同時利用CFD軟件fluent對其散熱性能進行了研究。

2 微型熱管散熱器結構與工作原理

本散熱裝置主要由LED發熱端、蜂窩蓄熱板、熱管組成。LED光源固定于蜂窩板上，縫隙由高導熱膠填充，以保證充分傳熱，熱管蒸發段鑲嵌在蜂窩板內，冷凝段布滿散熱片。當LED開始工作后，熱量由LED傳導至蜂窩板，熱管蒸發段在此吸熱并通過管內介質的相變將熱量輸送到冷凝段，工作介質由氣態變為液態，同時釋放熱量，熱量由管壁輸送至散熱片，最后通過空氣對流把熱量散發掉，熱管內工作介質冷凝放熱后回到蒸發段再次吸熱，如此形成一個不間斷的工作介質循環流動和熱量傳遞過程。圖1是本散熱器所用熱管的啟動性能曲線，可以看出熱管在很短時間內達到高溫隨后保持穩定，這也證明了此熱管具有極佳的傳熱性能。本裝置見圖2，正是利用了熱管的這一特性，快速地將熱量導出，避免熱量積聚，從而保證LED芯片能夠在安全溫度下長期而高效地工作。散熱裝置采用熱管為銅—水重力熱管，其優點是無吸液芯，工作介質靠重力回流，故制造成本低廉。

圖1 熱管啟動性能曲線Fig.1 Curve of set-up performance for heat pipe

圖2 微型熱管散熱器示意圖Fig.2 Diagrammatic sketch of micro-heat pipe

蜂窩板 (圖3)是一種重量輕，強度大同時具有柔韌性的材料。本散熱裝置采用鋁材蜂窩板，具有極強的蓄熱能力，快速吸收熱量并傳導至熱管。

由工作原理可以看出，此散熱裝置熱量傳遞過程由兩部分構成:各個組成部分間的熱傳遞和熱管內部的相變傳熱。對于熱管內部的相變傳熱在此不做研究，本文僅對前一部分進行了數值求解，以了解此散熱器相關傳熱性能。

圖3 蜂窩板Fig.3 Honeycomb

此散熱器的優點在于:(1)利用了蜂窩結構的蓄熱能力，為熱管提供持續熱量;(2)采用散熱片加風扇的雙重強化散熱作用，能更好地把熱量散發掉;(3)風扇位于散熱器內部，這樣既可以保護風扇也能降低噪音。

3 蜂窩板與銅板傳熱能力的比較

假定散熱片端條件一致，故僅比較蜂窩板和銅板熱沉端的傳熱情況。

3.1 蜂窩板傳熱計算

蜂窩板的熱阻［11］主要有空氣層熱阻、面層熱阻、粘合層熱阻和蜂窩芯熱阻等組成，如圖4所示。其等效計算公式如下:

式中 kw和ρw——分別是材料的導熱系數和密度;

tc——是芯子厚度;

本裝置所用蜂窩板為鋁材，其蓄熱能力可用牛頓冷卻定律計算，即

這名字一聽就是有來歷的，藏著一個古老的傳說。但我無意探尋來龍山名的傳說。我想探尋的，是一條上山的路，想沿著山路爬到山頂上去。

式中 Ah——傳熱面積;

Δt——冷熱面之間的溫度差;

αh——傳熱系數。

由(2)式推導得

這里Rh==0.356W/K，將代入(3)式得αh=9.6W/(m2·K)，傳熱能力Qh=62.7W。可以看出蜂窩結構具有很強的蓄熱能力，能將大部分熱量聚集，從而為熱管提供穩定的熱源。

圖4 蜂窩板總熱阻Fig.4 Total thermal resistance of honeycomb

3.2 銅板傳熱計算

把蜂窩板換成銅板，此時銅板僅起到傳熱作用，由于熱管具有極高的傳熱性能，故忽略熱管綜合導熱熱阻，其傳熱能力可用牛頓冷卻定律確定，總熱阻為所有熱阻之和，即

式中 Rjs——芯片內部熱阻;

Rtg——MCPCB與銅板之間熱阻;

則傳熱系數可用下式表示

式中 Ac——傳熱面積。

將 Rjs、Rtg、Rbh代 入 (5) 式，計算得αc=4.68W/(m2·K)，傳熱量 Qc=50.3W。

對比兩種計算結果可以看出，蜂窩結構比銅板具有明顯優勢，其較強的蓄熱能力，可將大部分熱量傳遞給熱管，避免熱量在LED芯片處聚集，從而保證LED能安全工作。此外采用蜂窩結構還有利于降低整個裝置重量。

4 數值計算模型與系統熱阻

4.1 CFD模型

本模型采用Gambit建模，模型采用實際尺寸。熱管長度200mm，直徑7mm，蜂窩板厚度為12mm。為建模方便，將LED燈簡化為 40mm的均勻熱源置于MCPCB中心，且不考慮其發光效率及熱損失，但在實際中，發光會消耗掉10%～20%的功耗。空間邊界條件設置為 WALL，進口為 Velocity條件，出口為Pressure條件，壓力—速度耦合采用SIMPLE。環境溫度設為25℃。由于模擬中不考慮熱管內部的傳熱情況，因此將熱管設置為具有極高導熱系數的實心圓柱體。另外由于采用強制對流散熱，亦不考慮輻射效應［12］。

4.2 LED陣列系統熱阻分析

熱阻是評價一種散熱裝置散熱性能優劣的重要參數。熱阻定義為導熱介質兩端的溫度差與通過功率的比值，單位為℃/W或K/W，表達式為:

式中 Tj，Ta——分別為LED結點溫度和周圍環境溫度;

Ph——發熱功率，Ph=Pt－ Pl，其中 Pt，Pl分別為總功率和發光功率。

圖5為LED陣列系統的熱阻模型，Rin為芯片與內部熱沉之間熱阻、熱沉與導熱膏之間熱阻的和，Rout為MCPCB到熱管蒸發段壁面熱阻，Pi為第i個LED的通過熱功率。通常LED的結點溫度應不高于80℃，每個LED芯片的結點溫度可用以下方程表示:

圖5 LED系統熱阻模型Fig.5 Thermal resistance of LED array

5 模擬結果與分析

5.1 散熱片對LED結點溫度的影響

在熱管上焊接散熱片擴大了散熱面積，繼而會對散熱性能產生顯著影響。從圖6可以看出，在同一輸入功率下，相比于光管，散熱片熱管能更有效地降低LED結點溫度，下降了10℃左右。例如當輸入功率是60W時，結點溫度分別為67℃和79℃。這主要是因為散熱片增加了與空氣接觸的散熱面積，起到了強化傳熱的作用，故而能更有效地將熱量帶走，最終使LED結點溫度保持在合理水平。

圖6 LED結點溫度與輸入功率間的關系Fig.6 Comparison of junction temperature LED array using heat pipe with and without fins under different input power

圖7為散熱片間距是2mm時的溫度分布情況，可以看出每個散熱片溫度分布基本一致，且熱管與散熱片相接處溫度最高。對流傳熱是靠空氣與散熱片的溫度梯度進行，故散熱片溫差越小越好，本散熱裝置的散熱片間距采用2mm。

圖7 不同間距時的散熱片溫度分布Fig.7 Temperature distribution with different fin interval

5.2 風壓對LED結點溫度的影響

風壓是影響散熱器性能的一個重要參數。從圖8可以看出，隨著進口壓力的增大，LED芯片結點溫度隨之降低，這說明增大風壓能有效地降低LED溫度。這主要是因為風壓增大，空氣流速也增大，繼而使得空氣與散熱片的對流傳熱系數增大，能帶走更多的熱量，最終使得LED結點溫度降低。

圖8 兩種輸入功率下，LED芯片結點溫度與空氣進口壓力之間的關系Fig.8 Junction temperature vs.air pressure with two different input power

但是當空氣進口壓力增大到一定程度時，就不能再有效地降低LED溫度。因為風壓過大使得大部分高速氣流來不及與散熱片進行對流換熱，此時高速氣流不但起不到強化傳熱的作用，反而阻礙了熱量傳遞，另外風壓過大還會增加能耗也會使散熱裝置產生不穩定性。由此可知，應當選擇一個較為合理的風壓值以保證LED照明系統的節能性。

6 結論

本文提出了一種采用蜂窩板蓄熱，同時結合熱管與空氣強制對流的大功率LED散熱器，對其構成和工作原理做了闡述，并使用CFD軟件進行了數值研究。主要結論有:

(1)采用蜂窩板用于蓄熱，有效吸收LED的熱量，為熱管提供穩定的熱源。

(2)從模擬結果看，本散熱裝置能夠滿足大功率LED的散熱要求。

(3)相比于光管，使用翅片管時散熱器的散熱性能更優良，LED結點溫度下降了10℃左右。

(4)散熱片間距采用2mm，此時的溫度分布較一致，有助于散熱片與空氣對流換熱。

(5)風壓的增大有助于降低溫度，但也存在一個最優值，超過此值，溫度下降便不再明顯，因此應當根據LED輸入功率，風扇能耗，裝置可靠性等方面合理選擇。

［1］吳慧穎，錢可元，胡飛.倒裝大功率白光LED熱場分析與測試［J］.光電子·激光，2005，16(5)，P511～514.

［2］C.C.Hsu，S.J.Wang，C.Y.Liu.Metallic wafer and chip bonding for LED packaging［C］.IEEE Proc.5th Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-Optics，2003，1.26.

［3］余彬海，李緒鋒.倒裝芯片襯底粘接材料對大功率LED熱特性的影響 ［J］.半導體技術，2005，30(6)，P49～51，55.

［4］李炳乾.基于金屬線路板的新型大功率LED及其光電特性研究 ［J］.光子學報，2005，34(3)，P372～374.

［5］Y.Deng，J.Liu.A liquid metal cooling system for the thermal management of high power LEDs ［J］.Int.Commun.Heat Mass transf.(2010)，doi:10.1016/j.icheatmasstransfer.2010.04.011.

［6］魯祥友，程遠霞，劉美靜.用于大功率LED冷卻的熱管散熱器的實驗研究 ［J］.半導體光電，2008，29(6)，P651～654.

［7］Lan Kim，Jong Hwa Choi，Sun Ho Jang，Moo Whan Shin.Thermal analysis of LED array system with heat pipe ［J］.Thermochimica Acta，2007，455，P21～25.

［8］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E輯，2007，37(9)，P1194～1204.

［9］袁柳林，劉勝，陳明祥.基于微通道致冷的大功率LED陣列封裝熱分析 ［J］.半導體光電，2006，27(6):712～716.

［10］唐政維，黃瓊，趙贊良.一種采用半導體致冷的集成大功率LED［J］.半導體光電，2007，28(4)，P471～473，543.

［11］Tom Bitzer.Honeycomb Technology［M］.CHAPMAN ﹠HALL，USA.

［12］余建祖.電子設備熱設計與分析技術.北京:高等教育出版社，2002.