高輻射陣列式LED水冷散熱器的優化設計與實驗

王 勻，唐書浩，涂文斌，俞 樂

(江蘇大學機械工程學院，江蘇 鎮江 212013)

引言

UV-LED固化機相比于烤箱式固化機具有能量高、出光均勻、固化效率高、無毒等優點，近年來被廣泛應用于膠水、油墨印刷固化以及各種電路板、陶瓷的印制[1，2]。為了獲得高輻射能量，將多個UV-LED芯片形成的陣列集成至基板上形成一組高輻射陣列式光源，從而實現快速固化[3]。但是陣列式LED芯片組成的模組工作時會產生巨大的熱量，這對散熱器優化設計提出了挑戰，不合理的散熱設計會使芯片結溫迅速上升，導致光衰、壽命減短，甚至燒毀[4，5]。

水冷散熱以其高散熱長壽命等優點被大量應用。近年來，國內外許多學者對水冷散熱板設計做了大量的研究。王彬等[6]從翅柱分布、結構以及冷卻流體進出口方式等方面對三種水冷散熱器進行研究，結果表明圓柱和水滴型散熱器在四角設置導流板可以強化換熱，且有較小的壓降。Yang等[7]研究了五種不同翅片形狀下微通道散熱片的傳熱性能，結果表明，銷翅形狀對平衡壓降和傳熱速率具有重要作用。Sajedi等[8]比較了兩種具有圓形和方形銷釘形狀的散熱片，和無分流器散熱片比對，發現圓銷翅片散熱器壓降降低了13.4%，熱阻降低了36.8%；方形翅片，壓降降低了8.5%，熱阻降低了23.8%。Yeom等[9]證明了微針翅周圍產生的流體動力學效應對傳熱增強的影響大于微針翅增加面積的影響。以上研究尚未涉及高能量陣列式UV-LED模組的散熱，也沒有考慮到散熱板的均溫性，而且實驗均采用等效加熱盤作為熱源，而實際LED產品的熱源分布不均勻，這會導致部分溫度點被忽略，帶來誤差。

基于ANSYS中ICEPAK熱分析仿真軟件，我們分析了三翅片、五翅片、七翅片和九翅片式散熱板的流動特性，比較了不同入口流速下溫度分布和壓力特性，分析了LED模組上芯片溫度的分布規律。基于自行研制的測試平臺，我們對七翅片散熱板的水冷散熱器進行了熱模擬實驗，分析其散熱板表面溫度分布，并與模擬結果進行了比較。

1 散熱器設計

大功率LED模組水冷散熱器需要綜合考慮水冷散熱面積和壓差影響。水冷散熱器結構和尺寸如圖1所示，主要由主水體和散熱板組成，材質均為鋁。主水體用于貼合散熱板和連接進出水口；散熱板內部作為水流通道，外部上表面用于貼合LED模組。散熱板結構和翅片數量如圖2所示，共四種，翅片間距s1=12 mm，s2=7 mm，s3=4 mm，s4=3 mm。面貼10片LED模組(如圖3所示)，每片模組由氮化鋁銅基板與7×9個LED芯片組成，芯片間距為1 mm，具體尺寸與材料見表1。

圖1 散熱器結構及尺寸圖Fig.1 Radiator structure and dimension drawing

圖2 散熱板尺寸簡圖Fig.2 Sketch of heat sink dimensions

圖3 模組簡圖Fig.3 Module diagram

表1 LED芯片模組組成材料及尺寸Table 1 Composition materials and sizes of LED chip module

2 理論分析

水冷散熱為主的LED系統，其主要熱傳遞方式以熱對流為主、導熱為輔，熱輻射可忽略不計水冷模組基本結構如圖4所示，LED芯片工作產生的熱量通過氮化鋁基板和銅基板熱傳導至水冷板，最終由水冷板中的冷卻液帶走。

該水冷模組的總熱阻

Rtotal=Rjc+Ryj+Rjb+Rgz+Rsa

(1)

式中Rjc為LED芯片熱阻，Ryj為封裝銀膠熱阻，Rjb為基板熱阻，Rgz為硅脂熱阻，Rsa為散熱器熱阻。

(2)

式中Tmax為芯片節點溫度，Tout為出水口溫度，P為總熱功耗。

由式(1)和式(2)可得到散熱器熱阻為

(3)

其中，芯片熱阻由LED廠商決定，不同加工工藝與材質，其熱阻值也不同，封裝銀膠熱阻、基板熱阻和硅脂熱阻均由材料的屬性決定[11]。而水冷散熱器熱阻只與換熱面積S和熱交換系數h有關，即

(4)

由式(4)可知，可以從增大水冷熱交換面積和增強熱交換系數方面考慮，來降低芯片節點的最大溫度。

圖4 水冷模組基本結構Fig.4 Basic structure of water cooling module

3 有限元分析

3.1 模擬條件與前處理設置

本文針對高輻射陣列式LED水冷散熱器的四種不同槽道數量的散熱板，應用限元分析軟件ANSYS19.0下的ICEPAK模塊進行數值模擬計算。根據實際散熱情況，設置泵流量為10 L/min，入口直徑為20 mm，計算得入水口流速為0.532 m/s，出口邊界條件設置為環境壓力。單顆LED芯片實際功率為3.5 W，按照UV-LED 20%的光電轉換效率[11],可在模擬中設置1 mm×1 mm 2.8 W的面熱源，共630顆芯片，總計熱功耗為1 764 W。水冷散熱板的散熱過程相當于芯片熱源與散熱板壁面的導熱和流體在散熱板內流動換熱的耦合傳熱過程，為了使換熱邊界更好地擬合，要對模擬做出假設與簡化[12]：流體物理參數為常數，定常流動，不可壓縮，流動壁面處無滑移。采用Zero equation湍流模型，由于水冷熱交換系數可能達到10 000 W/(m2·K),可忽略散熱器與外界空氣的熱交換以及輻射換熱。固體與流體的初始溫度均為20 ℃。

由于散熱器整體結構不規則，尺寸差異較大，最小尺寸為1 mm，最大達到600 mm，需要對整體網格做階梯型調整，采用ICEPAK中Mesher-HD六面體網格占優類型進行網格劃分。為了保證數值計算結果的可靠性，需要對三維模型的網格獨立性進行驗證，其中針對七翅片式散熱板，芯片總熱功耗為1 764 W，入口速度為0.532 m/s的工況下，對比了4種網格數量的網格方案。計算模擬出散熱板表面中心溫度Ts和出水口平均溫度Tout，由表2可以發現，不同網格數目數值模擬下，所計算的散熱板表面中心溫度和出水口平均溫度偏差均小于3%，結合有限的計算機資源以及準確性，本文采用編號為3的網格劃分方案。

表2 不同網格數目下的監控參數Table 2 Monitoring parameters under different grid numbers

3.2 模擬結果與分析

我們分析了四種散熱板在定流速下的流動特性，圖5為四種散熱板的溫度圖，可以看出，總體溫度為“入低出高”，而且隨著翅片數目的增加，散熱板表面溫度降低明顯，高溫集中區域主要位于散熱板中后部，其主要原因可從圖6和圖7可以發現：流速較大區域集中在入水口處以及上下槽道處，水流紊流程度劇烈，直接導致這一部分所在區域溫度較低，而隨著水流流動不斷吸收熱量，使得水溫逐漸升高，導致散熱板后半段的溫度逐漸上升。隨著翅片數目地增多，散熱板的平均溫度也在下降。

圖5 散熱板溫度云圖 (a)三翅片式；(b)五翅片式；(c)七翅片式；(d)九翅片式Fig.5 Heat sink temperature

圖6 七翅片式散熱板速度切面云圖Fig.6 Seven-fin fin type heat sink speed cut surface

圖7 七翅片式散熱板水流溫度云圖Fig.7 Seven-fin type heat sink water flow temperature

為了更好地發現規律，采用5組不同入口流速，獲得了四種翅片數量的散熱板的最高溫度和壓差曲線圖，如圖8和圖9所示。可以發現：隨著入口流速的增大，各散熱板最高溫度逐漸下降，壓差逐漸增大；隨著翅片數目的增加，散熱板上最高溫度和進出口壓差上升幅度也在逐漸上升；當入口流速達到1 m/s時，散熱板的最高溫度降速開始放緩，而壓差卻在遞增。

圖8 四種散熱板在不同入口流速下最高溫度Fig.8 Maximum temperature of four heat sinks at different inlet flow rates

圖9 四種型散熱板在不同入口流速下壓差Fig.9 Pressure difference of four types of heat sinks at different inlet flow rates

根據數據處理統計出中間一行芯片從入水口到出水口共90顆芯片所在位置的溫度數值，繪制成溫度梯度圖(見圖10)，去除掉邊緣個別芯片的極端溫度，可以計算出四種散熱板上的芯片最大溫差：三翅片式散熱板上的芯片溫差在7.36 ℃，五翅片式為6.13 ℃，七翅片式為4.83 ℃，九翅片式為4.38 ℃。可以發現，當入口流速一定時，持續增加翅片數目，對改善散熱板均溫性能沒有明顯效果，反而會使壓差劇增。

圖10 四種散熱板位處中間芯片的溫度分布圖Fig.10 Temperature profile of the intermediate chip at the four heat sink levels

4 實驗驗證與分析

1)實驗準備。實驗搭建的測試平臺如圖11所示，實驗熱源采用7×9系列，波長為375 nm的UV-LED芯片模組，見圖12(a)，單顆LED芯片功耗為3.5 W左右，一塊模組總功耗為220.5 W，位于模組上方基板處鑲嵌有TC熱敏電阻，溫度誤差小于1 ℃。散熱器實物圖可見圖12(b)所示。模組安裝示意圖見圖12(c)，模組與散熱板之間均勻涂抹致密的導熱膏，實現高效導熱。工業用水冷機保證水溫恒溫20 ℃，誤差在2 ℃以內，實驗時設定固定流量為10 L/min。

1為LED驅動電源；2為水冷散熱器；3為LED模組；4為工業水冷機；5為數據采集器圖11 實驗測試系統圖Fig.11 Experimental test system diagram

圖12 實驗器材 (a)芯片模組；(b)散熱器實物；(c)模組安裝簡圖Fig.12 Experiment equipment

圖13 仿真與實驗溫度對比Fig.13 Temperature comparison of simulation and experiment

2)數據對比與分析。開始實驗10 min后進行溫度測量，以確保系統達到熱平衡狀態。為避免測量誤差，進行3次阻值測量。測量阻值轉化成溫度后與數值分析結果的對比如圖13所示。可以發現，數值分析得出的監控點溫度趨勢與實驗測試得到的數據趨勢一致，誤差僅為3.5%，進水口處的監控點溫度大于出水口附近的監控點溫度，相差6 ℃左右。實驗所測溫度值明顯高于有限元值，其原因有以下幾點：

①有限元仿真分析中，忽略了芯片模組與散熱板之間的接觸熱阻，默認相互之間無縫貼合，實際上兩者之間有導熱膏，而且無法保證導熱膏的涂覆均勻性。

②實際LED芯片模組封裝工藝復雜，LED芯片通過焊錫固定，基板上刻蝕有電路，有限元分析時簡化了這些模型，導致忽略了封裝熱阻[13]。

但是局部溫度仍然有較大差異，比如在出水口9號和10號監控點處，實驗測得的溫度值明顯高于數值分析溫度值，其原因可能在于該模組在涂抹導熱膏不均勻，存在間隙較大，導致溫度偏高。

5 總結

通過對三翅片、五翅片、七翅片和九翅片式四種散熱板進行有限元數值模擬分析與實驗，可以得出以下結論：

1)隨著翅片數量增加，可以有效地降低散熱板表面的溫度，但是當翅片數目增加至九條時，最高溫度相比七翅片只下降了1.2 ℃，而壓差卻增加了1 131 Pa；同一散熱板當入口流速增加至1 m/s時，對降低散熱板溫度已經沒有明顯的效果，反而會使壓差急劇增大；

2)通過增加翅片數量，可以改善散熱板表面溫度不均勻現象，其中九翅片散熱板可以使芯片極限溫差縮小至4.38 ℃，但是相比七翅片溫差4.83 ℃，壓差卻增加了1 029 Pa；

3)通過對七翅片式的散熱板做實驗驗證后發現，溫度分布趨勢基本一致，實驗結果與數值分析結果誤差僅為3.5%，驗證了數值仿真的準確性。

綜上所述，七翅片式散熱板在相同流量工況下，相比于另外三種散熱板，其芯片模組的平均溫度和壓差控制更合理，在不額外增加壓差的原則下，更好地控制了模組溫度。這對高輻射陣列式LED水冷散熱器槽道式散熱板的設計具有參考價值。