基于熱管風冷的大功率UV-LED固化燈散熱研究

王 勻，俞 樂，涂文斌，許楨英

(江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212000)

引言

UV-LED即紫外發光二極管(UV light emitting diode)，是一種能夠直接將電能轉化為紫外光線的固態半導體器件，因其具有壽命長、可靠性好、光效高、耗電量少等優點在UV固化領域逐漸取代傳統的高壓汞燈[1]，但由于其使用過程中大部分能量轉化為熱量，如果這些熱量不能及時地散出，將對高功率UV-LED燈的使用壽命和效率產生極大的影響[1,2]。

目前國內外研究人員對大功率UV-LED散熱系統的研究多在水冷方面。楊傳超等[3]通過實驗得出對于大功率的LED照明水冷散熱器，采用并聯水道方式和偽并聯水道方式結果優于串聯水道方式和偽串聯水道方式，且鰭片厚度越薄，散熱效果越好。張健等[4]基于光電理論，提出了一種大功率LED陣列螺旋扁管換熱過程系統模型，采用有限體積法對大功率陣列LED螺旋扁管水冷散熱器模型進行了傳熱過程分析，表明通過優化LED陣列和散熱系統結構可提高系統散熱效率，Chen等[5]基于CFD模型分析流體微通道的長寬比和流體流速對LED散熱性能的影響，結果表明，微通道的長寬比越高，流體速度越均勻散熱性能越好。但由于水冷系統需要專門的冷水機和相關設備，導致設備無法小型化，且水冷存在漏水風險，對于LED芯片安全使用存在巨大隱患。而后國內外學者將研究目光轉向風冷領域，Yung等[6]利用數值分析方法分析自然對流情況下傾斜角度對LED模組的傳熱影響，研究表明傾斜角在0～180°范圍內變化時，測試點的溫度先減少后增大，在90°時溫度最低。Jeong等[7]基于響應面分析法(RSM)對水平翅片散熱器形狀進行優化設計，證明在翅片上引入開口能改善散熱器空氣循環，在10 W的熱輸入下，總熱阻減小30.5%，散熱效率提高23.7%。何晶晶等[8]提出了一種基于強制風冷的TEC致冷UV-LED散熱模塊，通過對該系統的設計、模擬、分析，得出最佳散熱方案，當芯片功率為292.8 W時，芯片溫度小于80 ℃，滿足芯片使用要求。

基于UV-LED工作的特殊性，功率越大，油墨固化速度越快，效果越好，過高的功率導致散熱不足，影響UV-LED的使用效果和壽命[9]。目前市場上的大功率UV-LED固化燈多采用水冷方式，但由于水箱體積大，存在漏水風險，成本過高，不符合市場對UV-LED固化燈小型化和便捷化的需求，基于以上需求，本文提出了一種基于熱管強制風冷的大功率UV-LED散熱模型，并通過熱力學模擬軟件以及實驗驗證分析得出最佳散熱結構，滿足使用要求，對大功率UV-LED固化燈散熱設計具有一定的參考意義。

1 UV-LED強制散熱系統設計

1.1 基本結構設置

UV-LED固化燈主要用于印刷領域對油墨進行光固化處理，其紫外芯片功率密度越大，固化干燥效果越好，但是相應產生的熱量也會提高[10,11]。為了滿足油墨固化的要求，該大功率UV-LED固化燈芯片采用陣列式密集分布，共400顆芯片，每顆芯片最大功率為3.75 W，芯片采用LG公司生產的垂直結構芯片，具有良好的導熱性。

在狹長的基板上封裝400顆芯片，會導致單位面積上的熱流密度大幅增加，若不及時采取有效的散熱措施，芯片結溫會急劇升高，導致芯片受損，嚴重影響UV固化燈的性能和使用壽命。基于固化燈小型化和便捷化的要求，本文采用熱管強制風冷的方式進行散熱處理，將400顆芯片分為十組模塊，單個模塊模型與尺寸如圖1所示，每組模塊貼有40顆芯片，芯片封裝在ALN陶瓷基板，后粘貼在銅基板上，銅基板與鋁塊固定兩根U型熱管，熱管上方布置有鋁制散熱片，結構如圖2所示。整體散熱器參數如表1所示。

圖1 單個散熱器模塊模型及尺寸

圖2 單個散熱器結構簡圖

表1 散熱器組成材料及尺寸

1.2 系統熱阻模型及理論計算

根據對流傳熱的牛頓冷卻公式，UV-LED固化燈單個熱管散熱器模塊中的傳熱能力可以寫成：

Q=αAΔt

(1)

其中，Q為熱管散熱器的總傳熱量，單位：W；α為熱管散熱器的總傳熱系數，單位：W/(m2·K)；A為散熱器的基準散熱面積，單位：m2；Δt為芯片表面溫tLED度與散熱片周圍冷卻氣流溫度tf的溫差(Δt=tLED-tf)，單位：℃。從式(1)可以推導出：

(2)

式(2)中，R為當基準面積A為單位面積時，熱管散熱器的總熱阻，按傳熱學理論，它也是各串聯傳熱環節中的熱阻之和[12],

R=RLED+Rlr+Rrg+Rbh+Rfn+Rsr+Rf

(3)

(4)

圖3 散熱器熱阻關系圖

代入數據，得到α=19.55 W/(m2·K)，則單組熱管散熱器得最大理論傳熱量為383 W。

單個LED芯片模組的最大功率為150 W,假設發光率為20%[13]，則單個模組的發熱量為120 W。由此可見，單個熱管散熱器的最大理論傳熱量遠高于單個芯片模組的最大發熱量，所以該設計滿足使用要求。

2 仿真模擬與結果分析

2.1 仿真模擬

利用目前市場占有率較高的專業熱分析軟件Floefd進行數值模擬，設置求解器、計算模型、材料屬性、邊界條件等參數，對熱管風冷散熱器進行仿真分析，為檢測整塊熱源基板上溫度分布情況，在各芯片模組中心各設置一個檢測點，如圖4所示。

2.2 結果分析

在室溫20 ℃情況下，LED芯片功率為1 500 W，抽風機風量為7 m3/min時，經過模擬計算，得到整體熱源面溫度情況如下，從圖5可以看出，熱源面及散熱器溫度整體呈現“入低出高”的趨勢，溫度過渡較為平緩，高溫區域主要集中于出風口一側，其主要原因可以從圖6和圖7看出，冷風從散熱器左側進入，經過10組熱管散熱器后，冷空氣吸收各散熱片上的熱量，溫度逐漸上升，當到達右側出風口時，溫度已到達38 ℃左右，使得右側靠近出風口位置的熱源面溫度升高。LED芯片最高溫度低于60 ℃，達到使用要求。

圖4 散熱器基板溫度檢測點分布圖

圖5 散熱器熱源面溫度云圖

圖6 散熱器整體溫度云圖

由于UV固化生產不同的使用要求，當環境溫度為20 ℃，風機流量為7 m3/min時，將芯片在不同熱功率下溫度變化情況進行了仿真對比分析，如圖8所示。隨著散熱功率的增加，芯片基板溫度也會急劇增加，且熱功率越大，溫度增加幅度越大。當熱功率為300 W時，測溫點T1與T10的溫差只有5 ℃左右，當熱功率達到1 500 W時，測溫點T1與T10的溫差已經達到25 ℃左右，隨著熱功率的增加，溫差ΔT增幅達到60%。而基板芯片溫差過大會導致芯片壽命降低，對UV-LED固化設備的散熱設計要求更高，側面反映了使用熱管技術的必要性。

為了探尋抽風機風量對散熱效果的影響，在環境溫度為20 ℃，熱功率為1 200 W時，針對7種不同抽風量進行了對比仿真分析，結果如圖9所示，隨著風機風量的增加，熱源基板溫度也在降低，溫差減小。但隨著風機風量的進一步提高到7 m3/min時，熱源溫度下降緩慢，無較大差異，說明盲目的加大抽風機風量并不能使得散熱效果有顯著的提高。因此，在盡量滿足最佳散熱要求的同時，減少抽風機功率消耗，選擇7 m3/min的抽風風量最佳。

圖9 不同抽風量下熱源測溫點溫度曲線圖

進一步地，在滿足小型化結構設計的前提下，探尋在有限空間內散熱片數量對散熱效果的影響。在環境溫度為20 ℃，熱功率為1 200 W，抽風風量為7 m3/min時，對四種數量下散熱片進行仿真對比分析。結果如圖10所示，隨著散熱片數量的增加，熱源基板溫度逐漸降低，散熱片數量為25時與數量為35時，溫差在10 ℃左右。當散熱片數量進一步增加到40片時，雖然靠近入風口的幾個測溫點溫度有所下降，但靠近出風口處的測溫點溫度幾乎不變，這是由于散熱片數量的增加，雖然增加了散熱接觸面積，但由于空間減小，冷風在熱交換過程中溫度上升更快，導致出風口一側的熱量無法及時散出，所以，散熱片數量為35片時最佳。

圖10 不同散熱片數量下熱源測溫點溫度曲線圖

3 實驗測試與結果分析

3.1 實驗準備

通過后期實驗、收集相關數據與仿真結果進行比對分析，兩者相互驗證，使熱分析結果更為準確。實驗搭建的測試平臺如圖11所示，實驗熱源采用5×8系列，波長為385 nm的芯片模組，單個模組最大熱功率為120 W，可通過電源控制其輸出功率大小。每塊模組安裝在對應的熱管散熱器上，散熱器右側連接工業抽風機，風量為7 m3/min，通過SH-X型多路溫度測試儀記錄測試點溫度，室溫保持在20 ℃左右。

1—LED驅動電源；2—LED芯片模組；3—熱管散熱器；4—工業抽風機；5—SH-X多路溫度測試儀

圖12 實驗器材：(a)芯片模組；(b)熱管散熱器；(c)實驗圖

3.2 數據對比與分析

實驗開始15 min后開始測量，以確保試驗系統達到熱平衡狀態。為減少實驗測量誤差，進行三次測量記錄，實驗測量值與數值仿真結果對比如圖12所示，可以看出實驗測量各監控點數據與仿真數據趨勢相同，誤差僅為4 %左右。實驗數據略高于仿真數據，原因有以下幾點。

圖13 仿真與實驗測溫點溫度對比

1)在Floefd仿真分析中，忽略了芯片的封裝熱阻、芯片與銅基板之間的接觸熱阻以及銅基板至散熱器之間的接觸熱阻。在設置初始條件時，默認其為完全貼合，但實際上雖然各接觸層之間涂抹有導熱硅脂，但由于導熱硅脂的涂抹均勻性等問題仍然導致存在一定的接觸熱阻[14]。

2)由于UV光線的高輻射性，為避免對人體造成傷害，實驗時需要在光線前方用遮蓋物遮擋，輻射產生的熱量無法及時散出，導致熱量聚集在LED芯片前方，形成二次熱源，導致LED芯片的溫度提高。

3)由于實驗空間有限，抽風機出風口與進風口相距較近，在長時間工作后，導致空氣溫度逐漸提高，散熱效果減小，芯片溫度升高。

4 總結

1)在LED芯片滿功率1 500 W(熱功率1 200 W)的情況下，當抽風量為7 m3/min、散熱片數量為35片時，采用該設計的熱管風冷型固化燈其熱源基板監測點最低溫度為32.2 ℃，溫度最高為50.5 ℃，滿足正常使用要求。

2)隨著熱功率的增加，熱源基板的溫差增幅越大，而通過增加抽風量和散熱片數量可以有效地降低熱源溫度，其中，當抽風量增加到7 m3/min，散熱片數量增加到35片后，繼續增加抽風量和散熱片數量，熱源溫度無顯著降低，故當抽風量為7 m3/min、散熱片數量為35片時，散熱效果最佳。

3)通過對上述熱管結構的散熱器進行試驗后發現，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4%左右，驗證了數值仿真的準確性。

綜上所述，采用該結構設計的熱管風冷散熱器后，LED熱源溫度滿足固化燈的使用要求，且對抽風量和散熱片數量有了更進一步的確定，對大功率UV-LED風冷式散熱器的設計具有一定的參考價值。