1 引言

　　大功率高亮度發(fā)光二極管(LED)是2l世紀(jì)最具發(fā)展前景的一種新型冷光源。它的發(fā)光機理是靠PN結(jié)中的電子在能帶間躍遷產(chǎn)生光能，當(dāng)它在外加電場作用下，電子與空穴的輻射復(fù)合發(fā)生電致作用將一部分能量轉(zhuǎn)化為光能，而無輻射復(fù)合產(chǎn)生的晶格震蕩將其余的能量轉(zhuǎn)化為熱能。由于光譜中不含紅外成分，產(chǎn)生的熱量不能靠輻射散發(fā)，故稱LED為冷光源。

　　目前LED只有10%一25%的電能轉(zhuǎn)化為光能，其余的能量轉(zhuǎn)化為熱能，如果LED芯片中的熱量不能及時散發(fā)出去，會加速器件的老化，一旦LED的溫度超過最高I臨界溫度，往往會造成LED永久性失效。據(jù)報道，LED在30℃下工作的壽命比在70℃下工作時長20倍，因此散熱技術(shù)是LED燈具設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　熱交換是通過導(dǎo)熱、對流換熱和輻射換熱三種基本方式進行的，可分為瞬態(tài)熱交換和穩(wěn)態(tài)熱交換。一般來說，LED燈具溫度控制在100℃以下，工程分析中可不考慮輻射換熱。對于連續(xù)介質(zhì)，設(shè)某一時刻下，物體內(nèi)所有各點在直角坐標(biāo)系中的溫度場為t=f(x，Y，z，r)，導(dǎo)熱的微分方程可表達如下:

　　式中:P——密度，單位kg/;

　　c——比熱容，單位J/(kg·K);

　　λ——熱導(dǎo)率(導(dǎo)熱系數(shù))，單位為W/(m·K);

　　Φ——內(nèi)熱源強度，單位W/。

　　對于連續(xù)介質(zhì)，二維對流換熱的能量微分方程如下：

　　式中——比定壓熱容，對于固體和不可壓縮流體，=c;u，移分別為x,y方向的速度。

　　上述熱交換的矩陣形式如下：

　　式中[C(T)]——比熱矩陣;

　　[K(r)]——傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)和對流系數(shù);

　　{T}——節(jié)點溫度向量;

　　{T}——溫度對時間的導(dǎo)數(shù);

　　[Q(r)]——節(jié)點熱流向量。

　　2 分析項目描述

　　(1)燈體描述

　　圖1 LED燈具模型

　　分析模型是一款某大型公司的LED燈具，外形規(guī)格Φ48×38，安裝3顆1W的標(biāo)準(zhǔn)LED，安裝直徑ψ12(均布)。

　　(2)燈體模型簡化

　　為了節(jié)省計算機資源的開支，由燈具的對稱性，取1/3模型進行簡化分析(圖2)，單顆LED的封裝結(jié)構(gòu)及元器件組成見圖3和圖4：

　　圖2 簡化模型

　　圖3 LED封裝結(jié)構(gòu)圖

　　圖4 單顆LED組成圖

　　簡化后的模型包括：燈體、鋁基板、熱沉和LED發(fā)光芯片。LED封裝的塑料部分(熱阻很大)、透鏡、襯底及細導(dǎo)線等可省略。

　　根據(jù)文獻，1W單顆LED熱輻射帶走的熱量約為總熱量的1.63%，只考慮熱傳導(dǎo)與對流，改變不同封裝填充材料，對熱導(dǎo)溫度的降低影響不大(即使找到一種熱導(dǎo)率高達7 W/m·K的環(huán)氧樹脂成分封裝材料時，相比使用熱導(dǎo)率僅為0.25 W/m·K的環(huán)氧樹脂成分封裝材料時，芯片溫度下降不多，鋁基板溫度只下降了2.27l℃，實際上，熱導(dǎo)率超過7W/m·K以上可商業(yè)化的透明硅樹脂封裝材料目前尚無文獻報導(dǎo))，LED芯片通過銀膠與熱沉導(dǎo)熱，熱沉與鋁基板及鋁基板與燈杯均通過硅膠導(dǎo)熱，元件緊密結(jié)合，通常硅膠結(jié)合厚度為um級。為便于分析，可以忽略銀膠和硅膠的影響。LED熱沉材料常采用鍍銀銅，考慮到銅材純度及銀膠對熱導(dǎo)的影響，實際導(dǎo)熱系數(shù)比銅略低。

　　LED芯片的熱承受力不大于110℃，考慮安全裕度(一般取為10～15℃)，芯片PN結(jié)溫度不得大于95℃，該值也常作為熱設(shè)計的參考閥值。

　　建立有限元模型時，考慮到網(wǎng)格劃分，刪除了對結(jié)果影響不大的圓角、小孔和部分小特征。

　　(3)若干關(guān)鍵問題討論

　　1)燈體材料

　　燈體材料的選擇主要考慮材料的導(dǎo)熱能力、價格及工藝性。導(dǎo)熱系數(shù)的大小表明金屬導(dǎo)熱能力的大小，導(dǎo)熱系數(shù)越大，熱阻越低，導(dǎo)熱能力越強，導(dǎo)熱系數(shù)的大小通常是通過實驗的方法來確定的。在金屬材料中，鉆石和銀的導(dǎo)熱系數(shù)最高(見表1)，但成本太高;純銅其次，但加工不容易。LED散熱燈殼一般采用鋁合金6063T5，這是因為鋁合金的加工性好(純鋁由于硬度不足，很難進行切削加工)、表面處理容易、成本低廉，通常由壓鑄或擠壓成型，實驗表明，熱導(dǎo)率約為純鋁的1/2，隨著溫度上升，鋁合金的熱導(dǎo)系數(shù)呈增大的趨勢，分析中忽略了鋁合金熱導(dǎo)系數(shù)隨溫度的變化。

　　表1 金屬導(dǎo)熱系數(shù)表

　　2)空氣對流系數(shù)：

　　熱交換過程廣泛地存在于管內(nèi)自然或強迫對流流動、氣體外掠平板等其他現(xiàn)象中。由于熱交換的計算關(guān)聯(lián)式很難給出比較精確的計算結(jié)果，并且使用時很容易出現(xiàn)錯誤，所以通常情況下我們建議使用一些經(jīng)驗的數(shù)據(jù)。空氣對流系數(shù)經(jīng)驗公式如下

　　內(nèi)表面：

　　外表面：

　　式中h——空氣對流系數(shù);

　　v——空氣流速。

　　一塊0.2水平放置的平板，在自然對流情況下與空氣的對流換熱系數(shù)大約為5W/K，在空氣流速為3m/s的強迫對流情況下與空氣的對流換熱系數(shù)大約為15W/K，考慮到該款LED燈多用于室內(nèi)封閉環(huán)境，燈具外部對流系數(shù)取為5W/K，燈具內(nèi)部對流環(huán)境取為2.5W/K，CAE分析時取燈具的環(huán)境溫度為室溫25℃。

　　3)發(fā)熱量

　　散熱問題是功率型LED需要解決的一個重點問題，散熱效果的優(yōu)劣直接關(guān)系到器件的可靠性。大家知道，增加LED的輸入功率，LED的亮度會成比例地增強，但由于LED的效率遠遠低于100%，目前功率型LED只能將少數(shù)部分電能轉(zhuǎn)化為光能，而剩下的約80%的能鼉轉(zhuǎn)換為熱能，考慮電源發(fā)熱、輻射換熱及其他能量交換，根據(jù)經(jīng)驗可取發(fā)熱量為LED功率的80%，本模型中的發(fā)熱量約為0.8W，芯片標(biāo)稱尺寸為1×1×0.25mm，發(fā)熱率為3.2W/m，為了模擬芯片均勻發(fā)熱，芯片的熱阻取為一個較小值。

　　3 ANSYS分析及實驗測試

　　熱分析有限元軟件采用在CAE(Computer Aided Engineering)行業(yè)領(lǐng)先的ANSYS軟件。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級CAD工具之一。程序可處理熱傳遞的三種基本類型：傳導(dǎo)、對流和輻射，熱傳遞的三種類型均可進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析。本次進行的是穩(wěn)態(tài)熱交換分析。

　　ANSYS有限元分析結(jié)果主要包括溫度分布、溫度梯度及熱流密度(圖5一圖8)。

　　圖5 溫度分布

　　圖6 溫度分布關(guān)鍵點值

　　圖7 溫度梯度

　　圖8 熱流密度

　　我們選擇了3個樣品進行溫度測試(測試點見圖9)，光源分別為Cree(2個)和Handson(1個)，測試設(shè)備為多點溫度巡檢儀(型號TMP一2，如圖10)，采用熱電偶溫度測試原理，測試結(jié)果如表2，測試環(huán)境為室溫26.9℃，密閉房間。

　　圖9 燈具測試點示意圖

　　表2 LED燈體溫度測試結(jié)果

　　圖10多點溫度巡檢儀TMP-2

　　4 結(jié)果分析

　　ANSYS分析結(jié)果顯示，最高溫度出現(xiàn)在芯片及引腳部位，為66.27℃(遠小于95℃)，最低溫度為燈具外殼大端面處(外殼點3)，為53.82℃，一般來說，LED燈具的外殼設(shè)計溫度須低于60℃。分析結(jié)果也顯示了溫度梯度及熱傳遞矢量，可用于指導(dǎo)燈具元件的布局。熱通主要集中在熱沉和鋁基板的結(jié)合區(qū)域，為熱導(dǎo)的主要通道，更換不同廠商的光源，在相同的燈具功率下，溫度分布及其溫度梯度差異不大，與設(shè)計時的CAE分析結(jié)果對比如表3。

　　ANSYS分析是在室溫25℃的密封環(huán)境下，外殼最低溫度為53.82℃，中心溫度66.27℃，換算到測試溫度(26.9℃)下分別約55.7℃、68.2℃。考慮到測試設(shè)備、測試環(huán)境和有限元模型的簡化，存在一定的誤差，最大誤差為3.5℃，中心引腳和外殼溫度最大誤差率分別為：

　　表3 實驗測試溫度與CAE分析結(jié)果對比

　　利用先進的計算機仿真分析，在設(shè)計時，我們就能比較準(zhǔn)確的把握產(chǎn)品的溫度分布情況，針對溫升比較集中的地方進行散熱結(jié)構(gòu)改進、優(yōu)化，滿足客戶和設(shè)計的需求，從而提升產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。