基于平板微熱管陣列的大功率LED散熱技術(shù)

王 薇，樊洪明

(北京工業(yè)大學(xué)綠色建筑環(huán)境與節(jié)能技術(shù)，北京市重點實驗室，北京 100024)

引言

目前，LED器件受其結(jié)構(gòu)的制約，只能將輸入功率的30%～40%轉(zhuǎn)化為光能，剩余的60%～70%會轉(zhuǎn)變成熱量[1]，若這一部分熱量不能及時散出，將會引起芯片內(nèi)部熱量積聚，導(dǎo)致LED芯片輸出光強降低、光源發(fā)光波長漂移、可靠性下降、發(fā)光效率降低并加速其光衰，不僅會影響LED的性能，還會對其使用壽命造成直接的影響[2]。有實驗研究表明，隨著LED芯片溫度的升高，達(dá)到一定程度時，LED芯片溫度每上升2 ℃，其使用壽命就會減少10%，該規(guī)律呈指數(shù)形式[3]。因此，LED的散熱問題是目前節(jié)能減排形勢下有待進(jìn)一步解決的重要工程問題。

針對大功率LED的散熱狀況，國內(nèi)外的專家學(xué)者進(jìn)行了許多實驗研究與嘗試，以期從強化LED芯片熱量散發(fā)和改良LED外部散熱裝置這兩個角度出發(fā)，解決大功率LED的散熱問題。本文從改變LED外部散熱裝置的角度出發(fā)，基于文獻(xiàn)[4]中研制的平板微熱管陣列，設(shè)計了用以及時有效地將LED芯片產(chǎn)生的熱量散出的U型熱管散熱裝置。裝置采用的平板微熱管是一種具有良好的蒸發(fā)吸熱特性的特殊熱管，且其形狀易于與芯片貼合，并被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備的散熱中。本文通過實驗實測對比了散熱裝置與光源之間不同連接方式、U型熱管與散熱翅片之間不同連接方式、散熱裝置不同有效散熱面積對散熱效果的影響，并結(jié)合ANSYS仿真模擬軟件，對散熱裝置進(jìn)一步優(yōu)化，為大功率LED散熱裝置的設(shè)計研發(fā)提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 實驗系統(tǒng)和過程

1.1 實驗系統(tǒng)組成

基于平板微熱管陣列的大功率LED散熱裝置實驗臺主要包括兩大部分:實驗件部分和數(shù)據(jù)采集部分，圖1所示為該實驗系統(tǒng)圖。

圖1 大功率LED散熱裝置實驗臺系統(tǒng)圖Fig.1 The system chart of the high power LED cooling device test system

實驗件系統(tǒng)包括基于平板微熱管陣列的U型熱管散熱裝置、大功率LED光源、穩(wěn)壓器，本實驗中將光源視作為散熱裝置提供了恒定的一維穩(wěn)定熱流，因此可以按照一維導(dǎo)熱進(jìn)行計算。U型熱管散熱裝置根據(jù)U型熱管與散熱翅片的連接方式不同，分為粘貼型U型熱管散熱裝置和一體化U型熱管散熱裝置；LED基板與U型熱管之間以導(dǎo)熱含銀硅脂連接，粘接型U型熱管散熱裝置與散熱翅片之間用導(dǎo)熱硅膠粘連，圖2所示為散熱裝置的模型示意圖。

圖2 U型熱管散熱裝置Fig.2 U type of heat pipe cooling device

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括T型熱電偶、數(shù)據(jù)采集儀、計算機(jī)。熱電偶用以測量基板溫度Tj1和Tj2、翅片根部溫度、內(nèi)外側(cè)翅片尖端溫度、基板旁熱管溫度，并通過Agilent數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集到電腦中。熱電偶布置在LED基板兩側(cè)和U型熱管散熱裝置上，測溫點分布如圖3所示，U型熱管內(nèi)側(cè)測溫點分布與左視圖分布一致，括號內(nèi)測溫點編號為對應(yīng)位置的內(nèi)側(cè)測溫點。

圖3 測溫點布置圖Fig.3 Temperature measuring point arrangement diagram

1.2 實驗原理及內(nèi)容

在發(fā)光過程中，LED芯片所產(chǎn)生的熱量會通過熱傳導(dǎo)、對流及輻射這三種換熱方式進(jìn)行熱量傳遞，而根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[5]得知通過熱輻射傳遞的熱量僅占1.6%，可忽略不計，因此在熱分析中只考慮熱傳導(dǎo)和對流。

實驗中采用100 W的LED作為光源；U型熱管散熱裝置有效散熱面積根據(jù)牛頓冷卻公式確定，散熱翅片均為直翅片。散熱裝置實物如圖4所示。

圖4 散熱裝置實物圖Fig.4 Picture of real cooling device

實驗變量有：LED基板與散熱裝置之間的連接方式、U型熱管與散熱翅片的連接方式及U型熱管散熱裝置的有效散熱面積。實驗數(shù)據(jù)中需要關(guān)注LED基板溫度、U型熱管散熱裝置垂直方向的溫差、LED基板和與之連接熱管之間溫差，分別反映了U型熱管散熱裝置散熱效果，其均溫性好壞及基板與熱管之間的接觸熱阻大小，根據(jù)既有文獻(xiàn)[6]表明，散熱裝置垂直方向溫差小于3 ℃即為均溫性良好。

1.3 實驗誤差分析

實驗過程中的誤差按照其來源，主要有以下幾種：

1) 裝置誤差。測量溫度時采用的T型熱電偶，其最大校正誤差為0.2 K，進(jìn)行實驗時，熱電偶與空氣接觸部分聚四氟乙烯進(jìn)行保溫絕熱。故熱量的傳遞可近似認(rèn)為是沿軸向一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程，誤差為0.11%。

測量導(dǎo)熱硅膠層、含銀硅脂層時使用游標(biāo)卡尺，其誤差為±0.02 mm。

2) 環(huán)境誤差。實驗中測得的數(shù)據(jù)與環(huán)境溫度、風(fēng)速有關(guān)，而每一組實驗在進(jìn)行的過程中，這二者都不能保證完全一樣，因此在數(shù)據(jù)對比的時候存在誤差。

3) 人員操作誤差。人員操作誤差主要來源有：連接U型熱管與翅片過程中，導(dǎo)熱硅膠層分布不均且其厚度為變量；連接熱管與LED光源基板過程中，含銀硅脂層分布不均且其厚度為變量。

2 實驗結(jié)果及分析

根據(jù)既有的相關(guān)實驗，在室溫狀態(tài)下，為保證光源正常工作，大功率LED的基板溫度應(yīng)低于70 ℃[7]。為確保實驗中散熱過程已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，每組實驗燃點時長為3 h，在對比分析實驗結(jié)果時，各測溫點溫度均采用相對溫度表示該測溫點的實驗溫度，即測溫點的實際溫度與環(huán)境溫度的差值，以期消除環(huán)境溫度對實驗結(jié)果的影響。同時引入單位溫升面積，即U型散熱裝置有效散熱面積與散熱引起的周圍環(huán)境溫度上升的數(shù)值之間的比值，此值可以在一定程度上衡量該散熱裝置的散熱效率。

2.1 LED基板與熱管之間不同連接方式對散熱效果的影響

選取有效散熱面積為0.85 m2的粘接型U型熱管散熱裝置為100 W的LED燈散熱， LED基板與熱管之間的連接方式采取打孔連接和含銀硅脂結(jié)合卡扣連接兩種方式，在其他條件均相同的情況下進(jìn)行實驗，對U型熱管散熱裝置散熱響應(yīng)時間及散熱效果進(jìn)行比較。

結(jié)合圖5及表1可看出，在相同條件下，采用打孔連接的U型熱管散熱裝置基板溫度穩(wěn)定時間較短，熱量傳遞較為迅速。但當(dāng)散熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，兩種連接方式的U型熱管散熱裝置的基板實際溫度均可滿足大功率LED使用壽命對其基板溫度的要求，且二者U型熱管垂直方向溫差均小于3 ℃；但采用含銀硅脂結(jié)合卡扣連接的U型熱管散熱裝置基板溫度更低，約低4 ℃，且單位溫升面積也更低。分析可知，由于打孔連接會使U型熱管散熱裝置與LED連接更加緊密，在二者的接觸面上所施加的壓力更大，而接觸熱阻隨著壓力的增大而減小，接觸熱阻越小，散熱越快，由表1中兩種連接方式下的基板和與之相連接的熱管之間溫差對比可以印證。

圖5 粘貼型U型熱管與LED不同連接方式基板溫度隨時間變化曲線Fig.5 The changing curve of substrate temperature along with time of pasting U type of heat pipe cooling device connected with the LED in different ways

連接方式基板實際溫度/℃基板實驗溫度/℃U型熱管垂直方向溫差/℃基板和與之連接的熱管之間的溫差/℃單位溫升面積/(m2/℃)打孔連接69.9057.232.783.590.015含銀硅脂結(jié)合卡扣連接66.9853.472.266.870.016

采用打孔連接的方式，基板和熱管之間的溫差比粘接方式要小，即采用打孔連接方式，對應(yīng)的基板與熱管之間的接觸熱阻更小，因此采用打孔連接方式的U型熱管散熱裝置的散熱速度快；但同時，打孔連接的方式破壞了熱管的微通道，相當(dāng)于減小了散熱裝置的有效散熱面積，因此最終散熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，采用打孔連接的U型熱管散熱裝置的基板溫度較高。

綜合來看，該組實驗數(shù)據(jù)的對比也印證了接觸熱阻對實驗結(jié)果的影響是不容忽視的，盡可能在不減小有效散熱面積的條件下，減小光源基板與熱管之間的接觸熱阻是提高散熱能力的有效方法。

2.2 U型熱管與散熱翅片連接方式不同對散熱效果的影響

分別選取有效散熱面積為0.85 m2的粘接型U型熱管散熱裝置和一體化U型熱管散熱裝置為100 W的LED燈進(jìn)行散熱，在相同的實驗條件下，對其散熱響應(yīng)時間及散熱效果進(jìn)行比較。

結(jié)合圖6和表2的數(shù)據(jù)，分析U型熱管與翅片之間不同連接方式對散熱效果的影響，對比兩種散熱裝置的散熱效果，相同條件下，一體化U型熱管散熱裝置基板溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間更短，散熱響應(yīng)更加迅速，且達(dá)到穩(wěn)態(tài)時基板溫度更低，這是由于一體化U型熱管相比粘貼型U型熱管省去了翅片與熱管之間使用導(dǎo)熱硅膠粘接這一環(huán)節(jié)，減小了導(dǎo)熱熱阻，有利于散熱，這一點也可以通過表2中U型熱管垂直方向溫差得以印證，一體化U型熱管垂直方向溫差更小，均溫性更好。綜合比較，一體化U型熱管散熱響應(yīng)快，散熱效果更佳，單位溫升面積更小，相比粘貼型U型熱管有很大的優(yōu)勢。

圖6 相同有效散熱面積的粘貼型和一體化U型熱管基板溫度隨時間變化曲線Fig.6 The changing curve of substrate temperature along with time of the same effective heat radiant area between the pasting U type of heat pipe cooling device and integral U type of heat pipe cooling device

有效散熱面積/m2基板實際溫度/℃基板實驗溫度/℃U型熱管垂直方向溫差/℃單位溫升面積/(m2/℃)0.85 m2(粘接型)67.4154.172.070.0160.85 m2(一體化)65.5953.691.380.015

2.3 散熱裝置有效散熱面積不同對散熱效果的影響

分別選取有效散熱面積為0.65、0.85和1.05 m2的一體化U型熱管散熱裝置為100 W的LED燈進(jìn)行散熱，在相同的實驗條件下，對其散熱響應(yīng)時間及散熱效果進(jìn)行比較。

由圖7可知，隨著有效面積的增大，散熱響應(yīng)時間變化不明顯；結(jié)合表3數(shù)據(jù)分析，當(dāng)散熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，隨著有效散熱面積的增大，基板溫度不斷降低，最終均穩(wěn)定在70 ℃以下，且U型熱管垂直方向溫差均小于3 ℃，具有良好的均溫性。

圖7 不同有效散熱面積的一體化U型熱管基板溫度隨時間變化曲線Fig.7 The changing curve of substrate temperature along with time of different effective heat radiant area of integral U type of heat pipe cooling device

有效散熱面積/m2基板實際溫度/℃基板實驗溫度/℃U型熱管垂直方向溫差/℃0.6567.2253.921.440.8565.5953.691.381.0556.1244.621.91

3 U型熱管散熱裝置的優(yōu)化

有關(guān)U型熱管散熱裝置的優(yōu)化設(shè)計，可采用實驗和熱阻計算的方式，為減少研究成本，本文采用ANSYS有限元熱分析軟件結(jié)合實驗實測，對U型熱管散熱裝置進(jìn)行仿真研究及優(yōu)化。由于對流換熱系數(shù)和有效散熱面積是影響自然對流的主要因素，因此翅片的高度、間距、厚度會對U型散熱裝置的散熱效果有很大的影響[8]。

3.1 實驗驗證

為確保ANSYS軟件仿真的真實性，將實驗與仿真模擬進(jìn)行對比驗證。

根據(jù)實驗實測結(jié)果，選用功率為100 W的LED燈，其產(chǎn)生熱量按70%計算[1]；對有效散熱面積為0.85 m2的一體化U型熱管散熱裝置進(jìn)行仿真模擬，相應(yīng)參數(shù)如表4所示。考慮到本實驗?zāi)Ｐ偷膶ΨQ性，為節(jié)省計算機(jī)資源，本文對模型進(jìn)行對稱簡化，并在相同實驗條件下，比較關(guān)鍵測溫點處的實驗結(jié)果與仿真結(jié)果。

由表5和圖8可知，關(guān)鍵測溫點的實驗結(jié)果和仿真結(jié)果相差均在4%以下，結(jié)果符合良好，由此證實了采用ANSYS軟件模擬研究基于平板微熱管陣列的U型散熱裝置的散熱性能并對其進(jìn)一步優(yōu)化是可靠的。可在此模型基礎(chǔ)上，對U型熱管散熱裝置進(jìn)行優(yōu)化。

表4 LED、含銀硅脂及U型熱管散熱裝置的參數(shù)

表5 關(guān)鍵測溫點實驗結(jié)果與仿真結(jié)果

圖8 關(guān)鍵測溫點仿真結(jié)果與實驗結(jié)果對比圖Fig.8 Contrast diagram of the key temperature measuring point between simulation result and experimental result

3.2 翅片間距的優(yōu)化

保持U型熱管散熱裝置的寬度及其他條件不變，環(huán)境溫度為25 ℃，改變其翅片間距，仿真出相應(yīng)的LED基板溫度，并得到翅片間距與LED基板溫度的關(guān)系曲線如圖9所示。

圖9 翅片間距與基板溫度、單位溫升面積的關(guān)系Fig.9 The relations between the spacing of fins and the substrate temperature and unit heating area

由圖9可知，當(dāng)翅片間距很小時，LED基板溫度甚至無法滿足大功率LED散熱的需求，這是由于過小的翅片間距會造成間距之間的空氣與翅片幾乎沒有溫差，并且邊界的粘滯作用很強，對流換熱受到極大的影響，不利于U型散熱裝置的散熱；隨著翅片間距的增大，對流換熱過程逐漸改善，LED基板溫度也隨之降低，但基板溫度在下降到一定程度后，繼續(xù)增加翅片間距，LED基板溫度反而上升，這是由于在整個散熱裝置寬度不變的條件下，增大翅片間距，翅片數(shù)目減少，相對應(yīng)的有效散熱面積也急劇下降，無法滿足LED芯片散熱。但從單位溫升面積角度來看，隨著翅片間距的增加，自然對流換熱進(jìn)行充分，單位溫升面積不斷下降，即散熱裝置的效率在提升，因此綜合來看，我們認(rèn)為翅片間距存在最優(yōu)值為5～7 mm。

3.3 翅片厚度的優(yōu)化

選取翅片間距為6 mm，翅片高度為21 mm的一體化U型熱管散熱裝置，保持其寬度不變，環(huán)境溫度為25 ℃，改變其翅片厚度，取值分別為0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm和2.5 mm，仿真出對應(yīng)的基板溫度，分析翅片厚度與基板溫度、單位溫升面積之間的關(guān)系。

由圖10可知，隨著翅片厚度的增加，LED基板溫度降低，這是由于增加翅片的厚度，相當(dāng)于增大了U型熱管與散熱翅片之間的接觸面積，增強了熱管向翅片傳導(dǎo)熱量的能力，有利于散熱；但當(dāng)翅片厚度增加到1 mm時，隨著翅片厚度的繼續(xù)增加，基板溫度反而升高，這是由于在散熱裝置的寬度不變的條件下，增加翅片厚度會使得翅片數(shù)目減少，相應(yīng)的有效散熱面積也會減小，不能滿足散熱需要。結(jié)合圖中單位溫升面積的變化趨勢可知，增加翅片的厚度可以增強U型熱管與散熱翅片之間的傳導(dǎo)換熱，并在可以滿足散熱需求的有效散熱面積條件下，利于整個裝置的散熱，但過大的翅片厚度則不能滿足其散熱需要的有效散熱面積。因此，翅片厚度的最優(yōu)值為1 mm。

圖10 翅片厚度與基板溫度、單位溫升面積的關(guān)系Fig.10 The relations between the width of fins and the substrate temperature and unit heating area

3.4 翅片高度的優(yōu)化

結(jié)合上述研究，選擇翅片間距為6 mm，翅片厚度為1 mm的一體化U型熱管散熱裝置，保持其寬度不變，環(huán)境溫度為25 ℃，改變其翅片的高度，取值從19～59 mm，間隔2 mm取值，共21組值，仿真出對應(yīng)的基板溫度，分析翅片高度與LED基板溫度、單位溫升面積之間的關(guān)系(見圖11)。

圖11 翅片高度與基板溫度、單位溫升面積的關(guān)系Fig.11 The relations between the height of fins and the substrate temperature and unit heating area

由圖11可知，基板溫度隨翅片高度的增大而下降，這是由于增大翅片高度直接增大了散熱裝置與周圍環(huán)境的接觸面積，有利于散熱，但隨著翅片高度增大，散熱翅片與周圍環(huán)境溫差梯度變小，基板溫度下降速率變小；結(jié)合單位溫升面積隨翅片高度變化曲線，增大翅片高度，裝置的單位溫升面積也增大。綜合圖11中曲線趨勢，進(jìn)一步考慮散熱裝置的加工成本，選擇翅片高度為35 mm是相對比較合理的，此時LED基板溫度約為47 ℃，滿足大功率LED應(yīng)用的要求。

4 結(jié)論

我們設(shè)計的基于平板微熱管陣列的U型熱管散熱裝置可以有效解決大功率LED散熱問題。通過實驗的方法，確定了裝置的有效散熱能力，分析了新型散熱裝置的傳熱性能，為進(jìn)一步優(yōu)化LED散熱裝置提供了理論依據(jù)。主要結(jié)論如下：

1)基于平板微熱管陣列的粘貼型U型熱管散熱裝置和一體化U型熱管散熱裝置可以在一定程度上解決大功率LED的散熱問題，且后者的均溫性優(yōu)于前者；

2)實驗過程中LED的散熱效果會受到U型熱管的有效散熱面積、LED基板與熱管連接方式，翅片與U型熱管連接方式的影響；

3)相同條件下，LED基板與熱管的連接采用打孔連接散熱響應(yīng)時間短，散熱快，但由于熱管被破壞，穩(wěn)定后基板溫度比粘接連接的基板溫度高；

4)相同條件下，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的基板溫度會隨著U型熱管的有效散熱面積的增加而降低，散熱響應(yīng)時間減少，單位溫升面積降低；

5)相同條件下，一體化U型熱管散熱裝置比粘貼型U型熱管散熱裝置散熱響應(yīng)時間短，散熱迅速，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后基板溫度更低，單位溫升面積更小；

6)實驗中基板與熱管連接時的接觸熱阻對實驗結(jié)果的影響很大，不容忽視；

7)采用ANSYS軟件對U型熱管散熱裝置進(jìn)行優(yōu)化，確定了翅片最優(yōu)間距為5～7 mm，最優(yōu)厚度為1 mm，最優(yōu)高度為35 mm，優(yōu)化后的U型熱管散熱裝置將LED基板溫度控制在47 ℃左右，滿足大功率LED應(yīng)用的要求。