基于FLOEFD的散熱器翅片間距仿真設計

摘 要 新一代大功率白光LED光源具有很多優點，如節能、環保、壽命長等，但大功率LED的散熱也是一個至關重要的問題。如果LED散熱問題解決不好，LED燈具工作一段時間后就會輸出光功率減小，芯片加速老化，工作壽命縮短。文章從LED散熱問題著手，詳細介紹了目前廣泛商用的大功率LED器件結構及導熱途徑、所用散熱片的特點，以及LED所用的散熱片設計和模擬方法。

關鍵詞 散熱；燈具；LED；FLOEFD；翅片間距

中圖分類號：TP368 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）08-0047-02

隨著LED（發光二極管）的功率、發光強度和發光效率大幅度提高，LED作為新型照明光源在市場中的份額逐漸提高，給現代社會生活質量的提高帶來了不可估量的影響，正在引發一場全球照明領域的革命。

但是，LED照明產品的仍有極大的技術問題亟待解決，如LED的散熱問題就是其中之一。因為LED的發熱量大，并且是溫度敏感器件。LED的溫度升高會影響其壽命、光效、光色（波長）、色溫、光形（配光）、以及正向電壓、色度和電氣參數以及壽命等。所以，散熱設計是LED照明產品開發的關鍵技術之一。

1 LED散熱原理

熱交換的三種基本方式為：熱傳導、對流和熱輻射。通俗的說，熱傳導是將熱量勻化或傳導到指定位置；熱對流是將熱源表面的熱量與介質（常為空氣、水等）發生熱交換，結果使表面的溫度降低；熱輻射是將熱源的熱量通過波的形式（紫外線、可見光線、紅外線等）發散到周圍的空間中。

對流傳熱的基本公式是牛頓冷卻公式：

Q=hAΔt

q=hΔt

其中，Q為對流傳熱表面（流體流過或接觸的固體表面，即壁面）的熱流量，單位W；q為對流傳熱表面的熱流密度，單位W/m?；A為對流傳熱表面的面積，單位m?；Δt為流體與壁面溫差的絕對值，單位℃；h為對流傳熱的表面傳熱系數，單位W/（m?·K），表征傳熱表面的平均對流傳熱能力。

2 LED散熱途徑

LED芯片是發熱主體。首先LED芯片的熱量通過LED芯片的基片再通過固晶方式傳遞至封裝熱沉（heat sink）上面，然后熱量通過熱沉傳遞至鋁基PCB上，最終鋁基PCB與金屬制（一般為鋁）散熱器結合，將熱量傳遞至燈具外部，到達空氣環境中。一般LED芯片的熱量最終到達空氣中需要經過如下各層材料

傳導。

3 模擬的產品結構和條件

產品設計結構由LED、鋁基板、導熱硅膠墊和散熱器組成，具體尺寸和結構如圖1，散熱器翅片間距A為可變，基本設計參數如下。

LED：OSRAM OSLON，10PCS，總功率25 W（3.15V×0.8A×10PCS），發熱功率為21.3 W（25 W×0.8）；

鋁基板，基材為鋁，導熱率為200 W/m·K；

導熱硅膠墊，厚度0.3mm，導熱率為5W/m·K；

散熱器，材料為AL6063-T5，導熱率為202 W/m·K；

LED間距B：25 mm×25 mm。

圖1 散熱模組結構圖

4 仿真軟件和仿真設計條件

FloEFD是新一代流體動力學分析的革命性工具，全球唯一完全嵌入三維機械CAD 環境中高度工程化的通用流體傳熱分析軟件，真正實現了仿真分析流程與設計流程的無縫結合，成為從事于流動、換熱相關產品開發/設計工程師的高效工具。計算3D模型如圖2，模擬參數設計如表1。

表1

項目 參數

計算區域 550（X）mm×300mm（Y）×210mm（Z）

環境溫度 25℃

重力加速度 9.8 m/s2

大氣壓 1.01 MPa

LED發熱功率 21.3 W

散熱器輻射率 0.3

散熱器翅片間距 3/4/5/6/7/8/9/10 mm

計算網格 34，174

圖2 仿真模型及計算域示意圖

5 不同間距的結果對比分析

散熱器翅片間距為10 mm的模擬結果如圖3。

圖3 工作溫度分布圖

6 結論

1）散熱器翅片間距越小，散熱器溫差越低；散熱器翅片間距越大，散熱器溫差越高。

2）散熱器底板厚度對散熱器的熱容量及散熱器熱阻有影響，太薄熱容量太小，太厚熱阻反而增加，底板厚度的最一般為3 mm-6 mm為最佳，本文取5 mm。

3）自然冷卻散熱器表面的換熱能力較弱，在散熱翅片表面增加波紋不會對自然對流效果產生太大的影響，所以建議散熱翅片表面不加波紋齒。

4）如果翅片間距太小，兩個翅片的熱邊界層易交叉，影響翅片表面的熱對流，根據本文的模擬，一般建議大于6 mm；如果散熱器翅片高低于10 mm，可按翅片間距≥1.2倍翅片高來確定散熱器的翅片間距。

5）自然對流的散熱器表面一般采用發黑處理，以增大散熱表面的輻射系數，強化輻射換熱。

參考文獻

[1]毛興武，等.新一代綠色光源LED及其應用技術[M].人民郵電出版社，2008.

[2]趙阿玲，等.大功率白光LED壽命試驗及失效分析[M].照明工程學報，2010.

[3]王靜，吳福根.改善大功率LED散熱的關鍵問題[J].電子設計工程，2009（4）.

[4]陳才佳，李少鵬.LED封裝歷程[J].電子工業專用設備.2013（216）：1-4.

[5]過增元.國際傳熱學研究前沿—微尺度傳熱[J].力學進展，2000，30（1）：1-6.

[6]魯祥友，程遠霞.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（05）：651.

[7]陶漢中，張紅，莊駿.高速芯片模塊熱管散熱器的數值傳熱分析[J].南京工業大學學報，2004，1（26）：68-71.

[8] Kim L.，Hwang W.J.and Shin M.W.Thermal resistance analysis of high power LEDs withMulti-chip package[R].2006 Electronic Components and Technology Conference，2006，1076-1081.

作者簡介

何漢恩（1983-），男，廣東番禺人，研究領域：LED及LED照明燈具，汽車照明。endprint

摘 要 新一代大功率白光LED光源具有很多優點，如節能、環保、壽命長等，但大功率LED的散熱也是一個至關重要的問題。如果LED散熱問題解決不好，LED燈具工作一段時間后就會輸出光功率減小，芯片加速老化，工作壽命縮短。文章從LED散熱問題著手，詳細介紹了目前廣泛商用的大功率LED器件結構及導熱途徑、所用散熱片的特點，以及LED所用的散熱片設計和模擬方法。

關鍵詞 散熱；燈具；LED；FLOEFD；翅片間距

中圖分類號：TP368 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）08-0047-02

隨著LED（發光二極管）的功率、發光強度和發光效率大幅度提高，LED作為新型照明光源在市場中的份額逐漸提高，給現代社會生活質量的提高帶來了不可估量的影響，正在引發一場全球照明領域的革命。

但是，LED照明產品的仍有極大的技術問題亟待解決，如LED的散熱問題就是其中之一。因為LED的發熱量大，并且是溫度敏感器件。LED的溫度升高會影響其壽命、光效、光色（波長）、色溫、光形（配光）、以及正向電壓、色度和電氣參數以及壽命等。所以，散熱設計是LED照明產品開發的關鍵技術之一。

1 LED散熱原理

熱交換的三種基本方式為：熱傳導、對流和熱輻射。通俗的說，熱傳導是將熱量勻化或傳導到指定位置；熱對流是將熱源表面的熱量與介質（常為空氣、水等）發生熱交換，結果使表面的溫度降低；熱輻射是將熱源的熱量通過波的形式（紫外線、可見光線、紅外線等）發散到周圍的空間中。

對流傳熱的基本公式是牛頓冷卻公式：

Q=hAΔt

q=hΔt

其中，Q為對流傳熱表面（流體流過或接觸的固體表面，即壁面）的熱流量，單位W；q為對流傳熱表面的熱流密度，單位W/m?；A為對流傳熱表面的面積，單位m?；Δt為流體與壁面溫差的絕對值，單位℃；h為對流傳熱的表面傳熱系數，單位W/（m?·K），表征傳熱表面的平均對流傳熱能力。

2 LED散熱途徑

LED芯片是發熱主體。首先LED芯片的熱量通過LED芯片的基片再通過固晶方式傳遞至封裝熱沉（heat sink）上面，然后熱量通過熱沉傳遞至鋁基PCB上，最終鋁基PCB與金屬制（一般為鋁）散熱器結合，將熱量傳遞至燈具外部，到達空氣環境中。一般LED芯片的熱量最終到達空氣中需要經過如下各層材料

傳導。

3 模擬的產品結構和條件

產品設計結構由LED、鋁基板、導熱硅膠墊和散熱器組成，具體尺寸和結構如圖1，散熱器翅片間距A為可變，基本設計參數如下。

LED：OSRAM OSLON，10PCS，總功率25 W（3.15V×0.8A×10PCS），發熱功率為21.3 W（25 W×0.8）；

鋁基板，基材為鋁，導熱率為200 W/m·K；

導熱硅膠墊，厚度0.3mm，導熱率為5W/m·K；

散熱器，材料為AL6063-T5，導熱率為202 W/m·K；

LED間距B：25 mm×25 mm。

圖1 散熱模組結構圖

4 仿真軟件和仿真設計條件

FloEFD是新一代流體動力學分析的革命性工具，全球唯一完全嵌入三維機械CAD 環境中高度工程化的通用流體傳熱分析軟件，真正實現了仿真分析流程與設計流程的無縫結合，成為從事于流動、換熱相關產品開發/設計工程師的高效工具。計算3D模型如圖2，模擬參數設計如表1。

表1

項目 參數

計算區域 550（X）mm×300mm（Y）×210mm（Z）

環境溫度 25℃

重力加速度 9.8 m/s2

大氣壓 1.01 MPa

LED發熱功率 21.3 W

散熱器輻射率 0.3

散熱器翅片間距 3/4/5/6/7/8/9/10 mm

計算網格 34，174

圖2 仿真模型及計算域示意圖

5 不同間距的結果對比分析

散熱器翅片間距為10 mm的模擬結果如圖3。

圖3 工作溫度分布圖

6 結論

1）散熱器翅片間距越小，散熱器溫差越低；散熱器翅片間距越大，散熱器溫差越高。

2）散熱器底板厚度對散熱器的熱容量及散熱器熱阻有影響，太薄熱容量太小，太厚熱阻反而增加，底板厚度的最一般為3 mm-6 mm為最佳，本文取5 mm。

3）自然冷卻散熱器表面的換熱能力較弱，在散熱翅片表面增加波紋不會對自然對流效果產生太大的影響，所以建議散熱翅片表面不加波紋齒。

4）如果翅片間距太小，兩個翅片的熱邊界層易交叉，影響翅片表面的熱對流，根據本文的模擬，一般建議大于6 mm；如果散熱器翅片高低于10 mm，可按翅片間距≥1.2倍翅片高來確定散熱器的翅片間距。

5）自然對流的散熱器表面一般采用發黑處理，以增大散熱表面的輻射系數，強化輻射換熱。

參考文獻

[1]毛興武，等.新一代綠色光源LED及其應用技術[M].人民郵電出版社，2008.

[2]趙阿玲，等.大功率白光LED壽命試驗及失效分析[M].照明工程學報，2010.

[3]王靜，吳福根.改善大功率LED散熱的關鍵問題[J].電子設計工程，2009（4）.

[4]陳才佳，李少鵬.LED封裝歷程[J].電子工業專用設備.2013（216）：1-4.

[5]過增元.國際傳熱學研究前沿—微尺度傳熱[J].力學進展，2000，30（1）：1-6.

[6]魯祥友，程遠霞.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（05）：651.

[7]陶漢中，張紅，莊駿.高速芯片模塊熱管散熱器的數值傳熱分析[J].南京工業大學學報，2004，1（26）：68-71.

[8] Kim L.，Hwang W.J.and Shin M.W.Thermal resistance analysis of high power LEDs withMulti-chip package[R].2006 Electronic Components and Technology Conference，2006，1076-1081.

作者簡介

何漢恩（1983-），男，廣東番禺人，研究領域：LED及LED照明燈具，汽車照明。endprint

摘 要 新一代大功率白光LED光源具有很多優點，如節能、環保、壽命長等，但大功率LED的散熱也是一個至關重要的問題。如果LED散熱問題解決不好，LED燈具工作一段時間后就會輸出光功率減小，芯片加速老化，工作壽命縮短。文章從LED散熱問題著手，詳細介紹了目前廣泛商用的大功率LED器件結構及導熱途徑、所用散熱片的特點，以及LED所用的散熱片設計和模擬方法。

關鍵詞 散熱；燈具；LED；FLOEFD；翅片間距

中圖分類號：TP368 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）08-0047-02

隨著LED（發光二極管）的功率、發光強度和發光效率大幅度提高，LED作為新型照明光源在市場中的份額逐漸提高，給現代社會生活質量的提高帶來了不可估量的影響，正在引發一場全球照明領域的革命。

但是，LED照明產品的仍有極大的技術問題亟待解決，如LED的散熱問題就是其中之一。因為LED的發熱量大，并且是溫度敏感器件。LED的溫度升高會影響其壽命、光效、光色（波長）、色溫、光形（配光）、以及正向電壓、色度和電氣參數以及壽命等。所以，散熱設計是LED照明產品開發的關鍵技術之一。

1 LED散熱原理

熱交換的三種基本方式為：熱傳導、對流和熱輻射。通俗的說，熱傳導是將熱量勻化或傳導到指定位置；熱對流是將熱源表面的熱量與介質（常為空氣、水等）發生熱交換，結果使表面的溫度降低；熱輻射是將熱源的熱量通過波的形式（紫外線、可見光線、紅外線等）發散到周圍的空間中。

對流傳熱的基本公式是牛頓冷卻公式：

Q=hAΔt

q=hΔt

其中，Q為對流傳熱表面（流體流過或接觸的固體表面，即壁面）的熱流量，單位W；q為對流傳熱表面的熱流密度，單位W/m?；A為對流傳熱表面的面積，單位m?；Δt為流體與壁面溫差的絕對值，單位℃；h為對流傳熱的表面傳熱系數，單位W/（m?·K），表征傳熱表面的平均對流傳熱能力。

2 LED散熱途徑

LED芯片是發熱主體。首先LED芯片的熱量通過LED芯片的基片再通過固晶方式傳遞至封裝熱沉（heat sink）上面，然后熱量通過熱沉傳遞至鋁基PCB上，最終鋁基PCB與金屬制（一般為鋁）散熱器結合，將熱量傳遞至燈具外部，到達空氣環境中。一般LED芯片的熱量最終到達空氣中需要經過如下各層材料

傳導。

3 模擬的產品結構和條件

產品設計結構由LED、鋁基板、導熱硅膠墊和散熱器組成，具體尺寸和結構如圖1，散熱器翅片間距A為可變，基本設計參數如下。

LED：OSRAM OSLON，10PCS，總功率25 W（3.15V×0.8A×10PCS），發熱功率為21.3 W（25 W×0.8）；

鋁基板，基材為鋁，導熱率為200 W/m·K；

導熱硅膠墊，厚度0.3mm，導熱率為5W/m·K；

散熱器，材料為AL6063-T5，導熱率為202 W/m·K；

LED間距B：25 mm×25 mm。

圖1 散熱模組結構圖

4 仿真軟件和仿真設計條件

FloEFD是新一代流體動力學分析的革命性工具，全球唯一完全嵌入三維機械CAD 環境中高度工程化的通用流體傳熱分析軟件，真正實現了仿真分析流程與設計流程的無縫結合，成為從事于流動、換熱相關產品開發/設計工程師的高效工具。計算3D模型如圖2，模擬參數設計如表1。

表1

項目 參數

計算區域 550（X）mm×300mm（Y）×210mm（Z）

環境溫度 25℃

重力加速度 9.8 m/s2

大氣壓 1.01 MPa

LED發熱功率 21.3 W

散熱器輻射率 0.3

散熱器翅片間距 3/4/5/6/7/8/9/10 mm

計算網格 34，174

圖2 仿真模型及計算域示意圖

5 不同間距的結果對比分析

散熱器翅片間距為10 mm的模擬結果如圖3。

圖3 工作溫度分布圖

6 結論

1）散熱器翅片間距越小，散熱器溫差越低；散熱器翅片間距越大，散熱器溫差越高。

2）散熱器底板厚度對散熱器的熱容量及散熱器熱阻有影響，太薄熱容量太小，太厚熱阻反而增加，底板厚度的最一般為3 mm-6 mm為最佳，本文取5 mm。

3）自然冷卻散熱器表面的換熱能力較弱，在散熱翅片表面增加波紋不會對自然對流效果產生太大的影響，所以建議散熱翅片表面不加波紋齒。

4）如果翅片間距太小，兩個翅片的熱邊界層易交叉，影響翅片表面的熱對流，根據本文的模擬，一般建議大于6 mm；如果散熱器翅片高低于10 mm，可按翅片間距≥1.2倍翅片高來確定散熱器的翅片間距。

5）自然對流的散熱器表面一般采用發黑處理，以增大散熱表面的輻射系數，強化輻射換熱。

參考文獻

[1]毛興武，等.新一代綠色光源LED及其應用技術[M].人民郵電出版社，2008.

[2]趙阿玲，等.大功率白光LED壽命試驗及失效分析[M].照明工程學報，2010.

[3]王靜，吳福根.改善大功率LED散熱的關鍵問題[J].電子設計工程，2009（4）.

[4]陳才佳，李少鵬.LED封裝歷程[J].電子工業專用設備.2013（216）：1-4.

[5]過增元.國際傳熱學研究前沿—微尺度傳熱[J].力學進展，2000，30（1）：1-6.

[6]魯祥友，程遠霞.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（05）：651.

[7]陶漢中，張紅，莊駿.高速芯片模塊熱管散熱器的數值傳熱分析[J].南京工業大學學報，2004，1（26）：68-71.

[8] Kim L.，Hwang W.J.and Shin M.W.Thermal resistance analysis of high power LEDs withMulti-chip package[R].2006 Electronic Components and Technology Conference，2006，1076-1081.

作者簡介

何漢恩（1983-），男，廣東番禺人，研究領域：LED及LED照明燈具，汽車照明。endprint