照明用大功率led陣列散熱設(shè)計論文與仿真分析-

北京航空航天大學(xué)碩士學(xué)位論文緒論1緒論1.1課題的來源和意義1.1.1課題的來源目前在照明領(lǐng)域正醞釀著一場變革，大功率LED在照明領(lǐng)域逐漸取代傳統(tǒng)光源，大功率白光LED以其體積小巧、高亮度、壽命長、工作電壓低、使用安全等眾多優(yōu)點沖擊著傳統(tǒng)光源的市場地位。然而，大功率LED在散熱和價格等方面的技術(shù)難題沒有很好的解決，嚴重制約著大功率白光LED在民用照明領(lǐng)域的發(fā)展。某公司設(shè)計的一個18W的大功率白光LED燈具為本論文的研究對象，本論文針對該燈具在研究大功率LED封裝熱特性基礎(chǔ)上對LED照明陣列進行散熱器的設(shè)計，并對LED照明陣列建立等效熱阻網(wǎng)絡(luò)模型和軟件仿真分析，最后對LED照明燈具進行熱試驗，來驗證仿真結(jié)果的正確性。1.1.2課題的意義近年來，大功率白光LED以其體積小巧、高亮度、壽命長、工作電壓低、使用安全、響應(yīng)速度快、耐沖擊防震動、無紫外線和紅外線輻射等諸多優(yōu)點，應(yīng)用范圍在逐漸的擴大，在城市景觀、LCD背光板、交通標志、汽車尾燈照明和廣告招牌等方面有著廣泛的應(yīng)用，具有良好的應(yīng)用前景。但由于成本和技術(shù)等各方面原因，在普通照明領(lǐng)域的應(yīng)用一直發(fā)展緩慢。大功率LED芯片的有源區(qū)面積小、工作電流大，輸入功率中又只有少部分能量轉(zhuǎn)化為光能，其余的則轉(zhuǎn)化為熱能造成其結(jié)溫升高。結(jié)溫是衡量大功率LED封裝散熱性能的一個重要技術(shù)指標：結(jié)溫升高，會直接減少芯片射出的光子數(shù)量，使發(fā)光效率降低；結(jié)溫的升高還會使芯片的發(fā)射光譜發(fā)生紅移，色溫質(zhì)量下降，尤其是對基于藍光LED激發(fā)黃色熒光粉的白光LED器件更為嚴重，其中熒光粉的轉(zhuǎn)換效率也會隨著溫度升高而降低。同時由于溫度升高而產(chǎn)生的各種熱效應(yīng)也會嚴重影響到LED器件的使用壽命和可靠性，當溫度超過一定值時，器件失效率呈指數(shù)規(guī)律變化。因此，對大功率LED進行散熱研究具有重要的理論意義和工程實用價值。1.2國外內(nèi)LED封裝的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢1.2.1國外功率型LED封裝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀（1）普通功率LED根據(jù)報導(dǎo)，最早是由HP公司于1993年推出“食人魚”封裝結(jié)構(gòu)的LED[1]，稱“SuperfluxLED”，并于1994年推出改進型的“SnapLED”。它們典型的工作電流，分別為70mA和150mA，輸入功率分別為0.1W和0.3W。Osram公司推出“PowerTOPLED”是采用金屬框架的PLCC封裝結(jié)構(gòu)。之后其他一些公司推出多種功率LED的封裝結(jié)構(gòu)。其中一種PLCC-4結(jié)構(gòu)封裝形式，其功率約200-300mW，這些結(jié)構(gòu)的熱阻一般為75-125oC/W?？傊?，這些結(jié)構(gòu)的功率LED比原支架式封裝的LED輸入功率提高幾倍，熱阻下降為原來的幾分之一。（2）W級功率LEDW級功率LED是未來照明的核心部分，所以世界各大公司投入很大力量，對W級功率封裝技術(shù)進行研究開發(fā)，并均已將所得的新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)等申請各種專利。單芯片W級功率LED最早是由Lumileds公司于1998年推出的LuxeonLED，根據(jù)報導(dǎo)，該封裝結(jié)構(gòu)的特點是采用熱電分離的形式，將倒裝芯片用硅載體直接焊接在熱沉上，并采用反射杯、光學(xué)透鏡和柔性透明膠等新結(jié)構(gòu)和新材料，提高了器件的取光效率并改善了散熱特性?？稍谳^大的電流密度下穩(wěn)定可靠的工作，并具有比普通LED低得多的熱阻，一般為14-17oC/W，現(xiàn)有1W、3W和5W的產(chǎn)品。該公司近期還報導(dǎo)，推出LuxeonIIILED產(chǎn)品，由于對封裝和芯片進行改善，可在更高的驅(qū)動電流下工作，在700mA電流工作50000小時后仍能保持70%的流明，在1A電流工作20000小時能保持50%的流明。1.2.2國內(nèi)功率型LED封裝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)LED普通產(chǎn)品的后工序封裝能力應(yīng)該是很強的，封裝產(chǎn)品的品種較齊全，據(jù)初步估計，全國LED封裝廠超過200家，封裝能力超過200億只/年，封裝的配套能力也是很強的，但是很多封裝廠為私營企業(yè)，目前來看規(guī)模偏小。[2]早在上世紀九十年代國內(nèi)就開展功率型LED封裝的研究工作，一些有實力的封裝企業(yè)，當時就開始開發(fā)并批量生產(chǎn)，如“食人魚”功率型LED。國內(nèi)有很多的大學(xué)、研究所對大功率LED封裝技術(shù)開展了研究，其中信息產(chǎn)業(yè)部第13研究所對功率型LED封裝技術(shù)開展研究工作，并取得很好的研究成果，開發(fā)出具體的功率LED產(chǎn)品。國內(nèi)有實力的LED封裝企業(yè)（外商投資除外），如佛山國星、廈門華聯(lián)等幾個企業(yè)，很早就開展功率型LED的研發(fā)工作，并取得較好的效果。如“食人魚”和PLCC封裝結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，均可批量生產(chǎn)，并已研制出單芯片1W級的大功率LED封裝的樣品。而且還進行多芯片或多器件組合的大功率LED研制開發(fā)，并可提供部分樣品供試用。對大功率LED封裝技術(shù)的研究開發(fā)，目前國家尚未正式支持投入，國內(nèi)研究單位很少介入，封裝企業(yè)投入研發(fā)的力度（人力和財力）還很不夠，形成國內(nèi)對封裝技術(shù)的開發(fā)力量薄弱的局面，其封裝的技術(shù)水平與國外相比還有相當?shù)牟罹唷?.2.3LED封裝技術(shù)發(fā)展趨勢1）采用大面積芯片封裝用1x1mm2的大尺寸芯片取代現(xiàn)有的0.3x0.3mm2的小芯片封裝，在芯片注入電流密度不能大幅度提高的情況下，是一種主要的技術(shù)發(fā)展趨勢[3]。2）芯片倒裝技術(shù)解決電極擋光和藍寶石不良散熱問題，從藍寶石襯底面出光。在p電極上做上厚層的銀反射器，然后通過電極凸點與基座上的凸點鍵合。基座用散熱良好的Si材料制得，并在上面做好防靜電電路。根據(jù)美國Lumileds公司的結(jié)果，芯片倒裝約增加出光效率1.6倍。芯片散熱能力也得到大幅改善，采用倒裝技術(shù)后的大功率發(fā)光二極管的熱阻可低到12～15oC/W。3）金屬鍵合技術(shù)這是一種廉價而有效的制作功率LED的方式。主要是采用金屬與金屬或者金屬與硅片的鍵合技術(shù)，采用導(dǎo)熱良好的硅片取代原有的GaAs或藍寶石襯底，金屬鍵合型LED具有較強的熱耗散能力。4）開發(fā)大功率紫外光LEDUVLED配上三色熒光粉提供了另一個方向，白光色溫穩(wěn)定性較好，使其在許多高品質(zhì)需求的應(yīng)用場合（如節(jié)能臺燈）中得到應(yīng)用。這樣的技術(shù)雖然有種種的優(yōu)點，但仍有相當?shù)募夹g(shù)難度，這些困難包括配合熒光粉紫外光波長的選擇、UVLED制作的難度及抗UV封裝材料的開發(fā)等等。5）開發(fā)新的熒光粉和涂敷工藝熒光粉質(zhì)量和涂敷工藝是確保白光LED質(zhì)量的關(guān)鍵。熒光粉的技術(shù)發(fā)展趨勢是開發(fā)納米晶體熒光粉、表面包覆熒光粉技術(shù)，在涂布工藝方面發(fā)展熒光粉均勻的熒光板技術(shù)，將熒光粉與封裝材料混合技術(shù)。6）開發(fā)新的封裝材料開發(fā)新的安裝在LED芯片的底板上的高導(dǎo)熱率的材料，從而使LED芯片的工作電流密度約提高5～10倍。就目前的趨勢看來，金屬基座材料的選擇主要是以高熱傳導(dǎo)系數(shù)的材料為組成，如鋁、銅甚至陶瓷材料等，但這些材料與芯片間的熱膨脹系數(shù)差異甚大，若將其直接接觸很可能因為在溫度升高時材料間產(chǎn)生的應(yīng)力而造成可靠性的問題，所以一般都會在材料間加上兼具傳導(dǎo)系數(shù)及膨脹系數(shù)的中間材料作為間隔。7）多芯片型RGBLED將發(fā)出紅、藍、綠三種顏色的芯片，直接封裝在一起配成白光的方式，可制成白光發(fā)光二極管。其優(yōu)點是不需經(jīng)過熒光粉的轉(zhuǎn)換，藉由三色晶粒直接配成白光，除了可避免因為熒光粉轉(zhuǎn)換的損失而得到較佳的發(fā)光效率外，更可以藉由分開控制三色發(fā)光二極管的光強度，達成全彩的變色效果(可變色溫)，并可藉由芯片波長及強度的選擇得到較佳的演色性。利用多芯片RGBLED封裝型式的發(fā)光二極管，很有機會成為取代目前使用CCFL的LCD背光模塊中背光源的主要光源之一。8）多芯片集成封裝目前大尺寸芯片封裝還存在發(fā)光的均勻和散熱等問題亟待解決。采用常規(guī)芯片進行高密度組合封裝的功率型LED可以獲得較高發(fā)光通量，是一種切實可行很有推廣前景的功率型LED固體光源。小芯片工藝相對成熟，各種高熱導(dǎo)絕緣夾層的鋁基板便于芯片集成和散熱。9）平面模塊化封裝平面模塊化封裝是另一個發(fā)展方向，這種封裝的好處是由模塊組成光源，其形狀，大小具有很大的靈活性，非常適合于室內(nèi)光源設(shè)計，芯片之間的級聯(lián)和通斷保護是一個難點。大尺寸芯片集成是獲得更大功率LED的可行途徑，倒裝芯片結(jié)構(gòu)的集成，優(yōu)點或許更多一些。1.3主要的研究內(nèi)容和實施方案1.3.1研究內(nèi)容論文研究的主要內(nèi)容1）LED封裝的熱特性研究研究大功率LED封裝的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部熱沉對LED散熱性能的影響，對目前流行的封裝技術(shù)和散熱方法進行綜合研究分析。2）建立LED照明陣列的等效熱阻網(wǎng)絡(luò)模型僅靠改進LED的封裝結(jié)構(gòu)和材料的選擇并不能滿足大功率LED的散熱需要，LED的封裝結(jié)構(gòu)確定后還應(yīng)在LED外部加裝散熱器。在對大功率LED封裝熱特性研究的基礎(chǔ)上，對LED照明陣列建立等效熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，分析得出LED的殼溫與結(jié)溫之間的關(guān)系。3）LED照明陣列散熱器的設(shè)計與仿真：在對封裝熱特性和熱阻網(wǎng)絡(luò)研究的基礎(chǔ)上，對某LED照明陣列設(shè)計相應(yīng)的散熱器，并對LED照明陣列進行建模和仿真分析，計算得到LED的結(jié)溫，與設(shè)計目標相比較，評估散熱器的散熱性能。4）試驗驗證：為驗證ICEPAK軟件對大功率LED陣列進行仿真分析結(jié)果的正確性，對LED照明燈具進行熱試驗。1.3.2實施方案在研究大功率LED封裝的熱特性的基礎(chǔ)上，為其設(shè)計散熱器，并對LED照明陣列建立等效熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，分析得出LED陣列的結(jié)溫與殼溫之間的關(guān)系，然后利用ICEPAK軟件對大功率LED陣列進行仿真分析，可以獲得LED芯片的殼溫，通過計算得到LED的結(jié)溫，最后通過試驗來驗證仿真結(jié)果的正確性。具體方案如下：1）LED的散熱性能研究：查找有關(guān)大功率LED散熱器散熱方面的論文和書籍，研究LED封裝結(jié)構(gòu)、內(nèi)部熱沉對LED散熱性能的影響，并對目前國際上流行的封裝技術(shù)進行綜合研究分析。2）等效熱阻模型的建立：由于對流換熱和輻射換熱起的作用較小，忽略對流換熱和輻射換熱的影響，只考慮主要熱通道的熱傳導(dǎo)。硅橡膠/環(huán)氧樹脂、熒光粉和塑料外殼封裝的熱導(dǎo)率極低，為計算方便，只考慮熱量從芯片到芯片熱沉底部的熱傳導(dǎo)的路徑，建立LED照明陣列的簡化等效熱阻網(wǎng)絡(luò)，計算獲得LED的殼溫與結(jié)溫之間的關(guān)系。3）溫度場的仿真分析：采用ICEPAK軟件對LED照明陣列進行熱分析，利用ICEPAK軟件建立LED燈具的模型，模型主要由熱源、金屬線路板、高導(dǎo)熱銀膠和散熱器四個部分組成。模型中把每只功率LED考慮成一個熱源，通過建模計算，得到了LED照明陣列金屬線路板、背板和熱源溫度場分布，進而獲得LED的殼溫，再由LED殼溫計算得到結(jié)溫。4）試驗與驗證：將上述大功率LED照明陣列，放入溫度試驗箱，將試驗箱的溫度設(shè)定為40度，連續(xù)工作1000小時，采用接觸式熱測量系統(tǒng)，測量LED照明陣列金屬線路板、背板和熱源的溫度，與仿真結(jié)果作對比，來評估仿真結(jié)果的正確性。

2大功率器件的散熱方法及設(shè)計要點2.1引言隨著電子器件的高頻、高速以及集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，電子元器件的總功率密度大幅度增長而物理尺寸卻越來越小，熱流密度也隨之增加，所以高溫的溫度環(huán)境勢必會影響電子元器件的性能，這就要求對其進行更加高效的熱控制，這些電路的散熱問題變得日益突出。因此，選擇良好的散熱方法和散熱器類型是這些電子元器件發(fā)揮良好性能的有力保障。2.2常用的散熱方法電子元器件的高效散熱問題與傳熱學(xué)、流體力學(xué)等原理的應(yīng)用密切相關(guān)。電子器件散熱的目的是對電子設(shè)備的運行溫度進行控制，以保證其工作的穩(wěn)定性和可靠性。這其中涉及了與傳熱有關(guān)的散熱、材料等多方面內(nèi)容。從應(yīng)用的角度看，常用的散熱方法主要有:自然散熱、強制散熱、液體冷卻。[4]2.2.1自然對流散熱方法自然對流散熱方法是指不使用任何外部輔助能量的情況下，實現(xiàn)局部發(fā)熱器件向周圍環(huán)境散熱達到溫度控制的目的，這其中通常都包含了導(dǎo)熱、對流和輻射三種主要傳熱方式，其中對流以自然對流方式為主。自然散熱或冷卻往往適用對溫度控制要求不高、器件發(fā)熱的熱流密度不大的低功耗器件和部件，以及密封或密集組裝的器件不宜(或不需要)采用其它冷卻技術(shù)的情況下。有時，在對散熱能力要求不高時也常常利用電子器件自身特點增強與鄰近熱沉的導(dǎo)熱或輻射、通過結(jié)構(gòu)設(shè)計強化自然對流，在一定程度上提高系統(tǒng)向環(huán)境散熱能力。2.2.2強制對流散熱方法強制對流散熱方法主要是借助于風(fēng)扇等強迫器件周邊空氣流動，從而將器件散發(fā)出的熱量帶走的一種方法。這種方法是一種操作簡便、收效明顯的散熱方法。如果部件內(nèi)元器件之間的空間適合空氣流動或適于安裝局部散熱器，就可盡量使用這種冷卻方法。提高這種強迫對流傳熱能力的方法主要有:增大散熱面積(散熱片)和在散熱表面產(chǎn)生比較大的強迫對流傳熱系數(shù)(紊流器、噴射沖擊、靜電作用)。增大散熱器表面的散熱面積來增強電子元器件的散熱，在實際工程中得到了非常廣泛的應(yīng)用。工程中主要是采用肋片(又稱翅片)來擴展散熱器表面的散熱面積以達到強化傳熱的目的。肋片式散熱器又稱氣冷式冷板，如:型材、叉指、針狀等各種型式，長期、廣泛地作為熱耗電子器件的延伸表面與所處環(huán)境(主要是空氣)的換熱器件。如，普通臺式電腦芯片上肋片散熱器和風(fēng)扇等。2.2.3液體冷卻方法對電子元器件采用液體冷卻的方法進行散熱，主要是針對芯片或芯片組件提出的概念。液體冷卻包括直接冷卻和間接冷卻。間接液體冷卻法就是液體冷卻劑不與電子元件直接接觸，而熱量經(jīng)中間媒介或系統(tǒng)從發(fā)熱元件傳遞給液體。直接液體冷卻法(又稱浸入冷卻)是指液體與電子元件直接接觸，由冷卻劑吸熱并將熱量帶走，它適用于熱耗體積密度很高或那些必須在高溫環(huán)境下工作且器件與被冷卻表面之間的溫度梯度又很小的部件以及高度封裝或大功率電子器件的2-D或3-D封裝。液體冷卻的特點是:使用電介質(zhì)冷卻液作為工作介質(zhì)；通過控制液滴直徑和頻率來控制冷卻功率；內(nèi)部可以集成控制的軟件，可以被用來冷卻芯片。2.3散熱方法的選擇散熱方法是根據(jù)質(zhì)量因素?zé)岷捏w積密度、熱阻來選擇的。在散熱方法選擇的權(quán)衡中應(yīng)該考慮的典型因素有:熱阻、重量、維護要求或維修性、可靠性、費用、制造容差、后勤狀況、熱效能、效率或有效系數(shù)、耐環(huán)境及嚴酷度、對人體的危害程度、尺寸、復(fù)雜性、功耗及對設(shè)備電性能的影響[5]。需要指出的是：一個散熱方案不限于一種散熱方式，大多數(shù)方案都是根據(jù)具體情況，包含幾種散熱方式，相互配合使用。常用的散熱器類型按照散熱器肋片種類的不同，基本上可分為兩種：等截面肋和變截面肋。從外形上看，散熱器可分為兩種類型，一種是平板型散熱器（即散熱板），結(jié)構(gòu)簡單，容易自制，但散熱效果較差，且所占面積較大；另一類是經(jīng)加工成型、構(gòu)成系列化產(chǎn)品的散熱器，如型材散熱器、叉指型散熱器、扇頂型散熱器和塑封器件專用散熱器等。此類散熱器的散熱效果好，易于安裝，適合進行大批量生產(chǎn)，但成本較高。對于不同類型的散熱器，使用時應(yīng)查閱有關(guān)散熱器手冊確定其相應(yīng)的熱阻值。下列圖中列出了幾種常見的散熱器模型。圖2.1橫剖壓延散熱器圖2.2折疊肋片式散熱器圖2.3有源散熱器圖2.4型材散熱器如圖所示，圖2.1橫剖壓延散熱器一般適用于氣流不是來自于一個方向，能在多個方向均勻散熱；圖2.2折疊肋片式散熱器，適用于增加散熱表面積，能夠更有效散熱；圖2.3有源散熱器可用于局部冷卻，一般電腦CPU的風(fēng)扇就是此種散熱器，能夠?qū)C箱中的CPU有效散熱；圖2.4中型材散熱器能用于大面積的散熱，當器件較大時增加表面積使器件有效散熱，比較適用于大功率LED陣列的散熱。2.5影響散熱器散熱效果的因素在不同工作狀態(tài)和幾何條件下，散熱器的散熱效果不同，例如，所選散熱器在高溫環(huán)境下可能達不到功率器件的散熱要求，導(dǎo)致器件不能可靠工作，甚至損壞器件。影響散熱器散熱效果的因素較多，現(xiàn)主要介紹幾何形狀、界面熱阻、功耗以及環(huán)境溫度對LED散熱性能的影響。2.5.1幾何因素的影響散熱器的有效面積與散熱器幾何參數(shù)密切相關(guān)。一般散熱器由肋片和基座構(gòu)成，主要的幾何參數(shù)包括肋片長、肋片厚，肋片數(shù)、基座厚、基座寬等[6]（1）散熱器肋片長度的影響肋片長度適當增加能減小器件結(jié)溫，但是過分增加肋片長度不能確保熱量傳導(dǎo)至散熱器肋片的末端，因此使傳熱受到影響，不能大大降低結(jié)溫，反而使散熱器重量增加太多。一般認為散熱器的肋片長度和基座寬度之比接近1傳熱較好。（2）散熱器肋片厚度的影響由于導(dǎo)熱主要沿著肋片的縱向方向，因而肋片的厚度對散熱器熱性能沒有太大的影響，肋片厚度的增加并沒有使熱源結(jié)溫降低很多，反而增加了散熱器的重量。同時改變散熱器肋片厚度也大大增加了加工難度。因此，一般散熱器進行工程優(yōu)化，并不選定散熱器的肋片厚度為優(yōu)化目標。（3）散熱器肋片高度的影響肋片高度對散熱器熱性能有很大影響，一般隨著肋片高度的增加，器件的熱量更易通過肋片散至周圍空間。但是如果肋片高度過高，散熱器體積增加太多，不符合航空航天設(shè)備體積小，重量輕的要求，因此散熱器肋片高度不宜過高。一般肋片的高度加倍，則散熱能力為原來1.4倍。（4）散熱器肋片個數(shù)的影響一般隨著肋片數(shù)目的增多器件結(jié)溫會有所降低，但是超過某一數(shù)值后隨著肋片的增多器件結(jié)溫沒有明顯變化，而散熱器重量明顯增加。同時肋片數(shù)目增加有時還要考慮器件安裝的問題，有的器件安裝在散熱器兩肋片之間，如果肋片數(shù)太多，器件不易安裝在散熱器上。因而不能盲目增加肋片的數(shù)目，綜合考慮。（5）散熱器材料的影響一般散熱器的材料不同會引起散熱器導(dǎo)熱系數(shù)變化，散熱器材料選取銅或者鋁對于散熱器性能并沒有太大影響，這表明限制散熱器熱阻的一般是固體－流體表面的熱阻。如果散熱器表面未進行氧化處理，對于散熱器熱阻和性能有較大變化。所以散熱器一般都要進行煮黑氧化處理，降低散熱器熱阻，減小熱源結(jié)溫，使得器件更安全可靠工作。2.5.2界面熱阻的影響功率器件加了散熱器之后系統(tǒng)總熱阻包括功率器件內(nèi)熱阻、界面熱阻以及散熱器熱阻。通過散熱器優(yōu)化設(shè)計可以降低散熱器熱阻。界面熱阻包括接觸熱阻和絕緣襯墊熱阻。接觸熱阻的影響因素較為復(fù)雜，沒有具體的公式，只有根據(jù)試驗或參考實測數(shù)據(jù)來選擇。減小接觸熱阻，可以采取的措施有：加大接觸面之間的壓力；提高接觸面的加工精度；接觸表面之間加導(dǎo)熱襯墊，一般而言在接觸面涂覆硅脂可使接觸熱阻降低（20-50）%。在功率混合集成電路與散熱器要絕緣的情況下，則要考慮絕緣襯墊熱阻它取決于絕緣片的類型和厚度，見式（2.1）。Rck＝（2.1）式中Rkc：絕緣襯墊熱阻（oC/W）；S：有效接觸面積（cm2）；：絕緣片厚度（mm）；K：絕緣片的熱導(dǎo)率。2.5.3功耗的影響器件的功耗越大，發(fā)熱量也越多，功耗太大導(dǎo)致散熱器溫升超過允許范圍，無法滿足散熱要求。本例中選取型材散熱器SRX－YDE，熱源功耗不同時分析結(jié)果見表（2.1）。表2.1熱源功耗不同時的結(jié)溫值熱源功耗（W）熱源結(jié)溫（℃）1.7（未加散熱器）51.03.25（型材SRX－YDE）66.597.91（型材SRX－YDE）109.55對比以上數(shù)據(jù)，對于器件功耗為1.7W，未加散熱器時，熱源結(jié)溫Tj<Tjm（允許結(jié)溫），即不用散熱器器件也能正常工作；當器件功耗為7.91W，安裝同樣的散熱器時，熱源結(jié)溫Tj>Tjm（允許結(jié)溫），則選用的型材散熱器不適合，需要重新選擇合適的散熱器。2.5.4環(huán)境溫度的影響隨著環(huán)境溫度的增加，散熱器的熱負荷增加，器件結(jié)溫也升高。如果散熱器熱負荷超過允許范圍，則達不到應(yīng)有的散熱效果導(dǎo)致器件損壞。表2.2說明了不同環(huán)境溫度下功率器件加散熱器的結(jié)溫變化情況。表2.2不同環(huán)境溫度下有散熱器熱源的結(jié)溫變化環(huán)境溫度（℃）熱源結(jié)溫（℃）30.866.596094.7280113.91從表中可看出，環(huán)境溫度對器件結(jié)溫的影響很大，因此在不同的環(huán)境溫度，要經(jīng)過試驗，合理選擇相應(yīng)散熱器才能使功率器件更有效散熱。在實際工程中考慮到熱設(shè)計的余度問題，功率器件選取散熱器以及散熱器優(yōu)化時，應(yīng)首先考慮在功率器件可以正常工作的最高溫度環(huán)境下，對功率器件進行熱設(shè)計和散熱器的優(yōu)化設(shè)計，這樣可以保證功率器件在其工作溫度范圍內(nèi)長期可靠地正常工作，也節(jié)省了時間和成本。

3LED的封裝熱特性3.1引言為提高大功率LED的封裝散熱性能，國內(nèi)外電子器件的設(shè)計和制造者分別在結(jié)構(gòu)和材料等方面對電子器件的散熱系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。在封裝結(jié)構(gòu)上，采用大面積芯片倒裝結(jié)構(gòu)、金屬線路板結(jié)構(gòu)，導(dǎo)熱槽結(jié)構(gòu)、微流陣列結(jié)構(gòu)等；在材料的選取方面，選擇合適的基板材料和粘貼材料，用硅樹脂代替環(huán)氧樹脂。3.2熱效應(yīng)對大功率LED的影響對于單個LED而言，如果熱量集中在尺寸很小的芯片內(nèi)血不能有效散出，會導(dǎo)致芯片溫度升高，引起熱應(yīng)力的非均勻分布、芯片發(fā)光效率和熒光粉激射效率下降。研究表明：當溫度超過一定值，器件的失效率將呈指數(shù)規(guī)律攀升，元件溫度每上升2oC，可靠性下降10%[7]。為了保證器件的壽命，一般要求PN結(jié)結(jié)溫在110oC以下。隨著PN結(jié)的溫升，白光LED器件的發(fā)光波長將發(fā)生紅移。統(tǒng)計資料表明：在100oC的溫度下，波長可以紅移4-9nm，從而導(dǎo)致熒光粉吸收率下降，總的發(fā)光強度會減少，白光色度變差。在室溫附近，溫度每升高1oC,LED的發(fā)光強度會相應(yīng)地減少1%左右。當多個LED密集排列組成白光照明系統(tǒng)時，熱量的耗散問題更嚴重。因此解決散熱問題己成為功率型LED應(yīng)用的先決條件。3.3常用的LED封裝結(jié)構(gòu)3.3.1硅基倒裝芯片結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的LED采用正裝結(jié)構(gòu)，上面通常涂敷一層環(huán)氧樹脂，下面采用藍寶石作為襯底。由于環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱能力很差，藍寶石又是熱的不良導(dǎo)體，熱量只能靠芯片下面的引腳散出。因此前后兩方面都造成散熱的難題，影響了器件的性能和可靠性。2001年，LumiLeds公司研制出了功率型倒裝芯片結(jié)構(gòu)[8]（見圖3.1），LED芯片通過凸點倒裝連接到硅基上。圖3.1芯片的正裝結(jié)構(gòu)和倒裝結(jié)構(gòu)對比這樣的封裝結(jié)構(gòu)能夠使熱量不必經(jīng)由芯片的藍寶石襯底，而是直接傳到熱導(dǎo)率更高的硅或陶瓷襯底，再傳到金屬底座，由于其有源發(fā)熱區(qū)更接近于散熱體，可降低內(nèi)部熱沉熱阻。3.3.2基于金屬線路板結(jié)構(gòu)金屬線路板結(jié)構(gòu)利用鋁等金屬具有極佳的熱傳導(dǎo)性質(zhì)，將芯片封裝到覆有幾毫米厚的銅電極的PCB板上，或者將芯片封裝在金屬夾芯的PCB板上，然后再封裝到散熱片上來解決散熱問題。美國UOE公司Norlux系列LED[9]，將已封裝的產(chǎn)品組裝在帶有鋁夾層的金屬芯PCB板上，其中PCB板作LED器件電極連接布線之用，鋁芯夾層作為熱沉散熱，（見圖3.2）。采用該結(jié)構(gòu)可以獲得良好的散熱特性，并大大提高了LED的輸入功率。圖3.2金屬線路板結(jié)構(gòu)3.3.3微泵浦結(jié)構(gòu)在封閉系統(tǒng)中，水在微泵浦的作用下進入LED的底板小槽吸熱，然后又回到小的水容器中，通過風(fēng)扇吸熱。這種微泵浦結(jié)構(gòu)(見圖3.3)可以很有效的降低外部熱阻。微泵結(jié)構(gòu)的制冷性較好，但結(jié)構(gòu)稍顯復(fù)雜。圖3.3微泵浦結(jié)構(gòu)3.4LED的封裝材料LED的封裝結(jié)構(gòu)確定后?？梢酝ㄟ^選取不同的材料進一步降低系統(tǒng)的熱阻，提高系統(tǒng)的導(dǎo)熱性能。目前國內(nèi)外常對基板材料、粘貼材料和封裝材料進行研究。3.4.1基板材料對于大功率的LED而言，為了解決芯片材料與散熱材料之間因熱膨脹失配造成電極引線斷裂的問題，可以選用陶瓷、Cu/Mo板和Cu/W板等合金作為散熱材料，但這些合金生產(chǎn)成本過高，不利于大規(guī)模。選用導(dǎo)熱性能好的鋁板、銅板作為散熱基板材料是當前研究的重點之一。3.4.2粘貼材料選用合適的芯片襯底粘貼材料，并在批量生產(chǎn)工藝中保證粘貼厚度盡量小，對保證器件的熱導(dǎo)特性是十分重要的。通常選用導(dǎo)熱膠、導(dǎo)電型銀漿和錫漿這三種材料進行粘貼。導(dǎo)熱膠導(dǎo)熱特性較差，導(dǎo)電型銀漿既有良好的導(dǎo)熱特性，又有較好的粘貼強度。但由于銀漿在提升高度的同時會發(fā)熱，且含鉛等有毒金屬，因此并不是粘貼材料的最佳選擇。與前兩者相比，導(dǎo)電型錫漿的導(dǎo)熱特性是二種材料中最優(yōu)的，導(dǎo)電性能一也非常優(yōu)越[10]。。3.4.3環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂作為LED器件的封裝材料，具有優(yōu)良的電絕緣性能、密著性和介電性能，但環(huán)氧樹脂具有吸濕性，易老化，耐熱性差，高溫和短波光照下易變色，而且在固化前有一定的毒性，會對LED器件壽命造成影響[11]。目前許多LED封裝企業(yè)改用硅樹脂和陶瓷代替環(huán)氧樹脂作為封裝材料，以提高LED的壽命。3.5提高大功率器件散熱性能的措施：隨著功率型LED亮度的提升，驅(qū)動電流日益增大，解決散熱問題已成為大功率LED產(chǎn)業(yè)化的先決條件。根據(jù)上述LED器件的散熱環(huán)節(jié)，可以從以下四個方面進行研究來提高大功率LED的散熱性能：1)LED產(chǎn)生熱量的多少取決于內(nèi)量子效應(yīng)。在GaN或GaP的生長過程中，應(yīng)改進材料結(jié)構(gòu)，優(yōu)化生長參數(shù)，以獲得高質(zhì)量的外延片，從而提高器件內(nèi)量子效率，從根本上減少熱量的產(chǎn)生，加快芯片結(jié)到外延層的熱傳導(dǎo)；2)選擇以鋁基為主的金屬芯印刷電路板MCPCB、陶瓷、DBC、復(fù)合金屬基板等導(dǎo)熱性能好的襯底，以加快熱量從外延層向散熱基板散發(fā)。通過優(yōu)化MCPCB板的熱設(shè)計、或?qū)⑻沾芍苯咏壎ㄔ诮饘倩迳闲纬山饘倩蜏責(zé)Y(jié)陶瓷(LTCC-M)基板，可獲得熱導(dǎo)性能好、熱膨脹系數(shù)小的襯底；3)為了使襯底上的熱量更迅速地擴散到周圍環(huán)境，目前通常選用鋁、銅等導(dǎo)熱性能好的金屬材料作為散熱器。根據(jù)能量守恒定律，利用壓電陶瓷作為散熱器，把熱量轉(zhuǎn)化成振動方式直接消耗熱能將成為未來研究的重點之一；4)對功率型LED器件而言，其總熱阻是PN結(jié)到外界環(huán)境熱路上幾個熱沉的熱阻之和，其中包括LED本身的內(nèi)部熱沉熱阻、內(nèi)部熱沉到PCB板之間的導(dǎo)熱膠的熱阻、PCB板與外部熱沉之間的導(dǎo)熱膠的熱阻、外部熱沉的熱阻等，傳熱回路中的每一個熱沉都會對傳熱造成一定的阻礙。所以減少內(nèi)部熱沉數(shù)量，并采用薄膜工藝將必不可少的接口電極熱沉、絕緣層直接制作在金屬散熱器上，能夠大幅度降低總熱阻，這種技術(shù)很有可能成為今后大功率LED散熱封裝的主流方向。

4熱阻網(wǎng)絡(luò)模型的建立與分析4.1引言功率型LED的熱阻直接關(guān)系到LED的結(jié)溫，進而影響LED的工作溫度、出光效率、發(fā)射波長、器件使用壽命、可靠性等。但是直接測量結(jié)溫是很困難的，而通過建立等效熱阻網(wǎng)絡(luò)模型可以得到LED的結(jié)溫與殼溫之間的關(guān)系，通過殼溫的測量就可以通過計算得到LED的結(jié)溫了。因此對功率型LED陣列的熱阻建立等效熱阻網(wǎng)絡(luò)模型具有重要的理論和實際意義。4.2熱阻的概念熱阻的一般定義為：在熱平衡條件下，導(dǎo)熱介質(zhì)在兩個規(guī)定點處的溫度差（即熱源、周圍環(huán)境之間的溫差）與產(chǎn)生這兩點溫度差的耗散功率之比（見式4.1），單位是或K/W。（4.1）式中表示熱阻，表示LED芯片的結(jié)溫，表示LED的殼溫，表示耗散功率。定義假設(shè)了器件耗散功率全部產(chǎn)生了熱流，并且流經(jīng)熱阻，其耗散功率是直流功率或交流電在一周期內(nèi)的平均功率，器件熱阻的大小表征了器件負載能力的強弱。4.3建立熱阻網(wǎng)絡(luò)與質(zhì)量、動量和電量的傳遞一樣，熱流量的傳遞也是一種常見的傳輸過程。它們之間有共同點。根據(jù)傅立葉的熱傳導(dǎo)定律指出：通過物體單位面積的熱流量正比于當?shù)卮怪庇诘葴鼐€方向上的溫度梯度。即式Q=，經(jīng)過分離變量，積分后得公式4.2：Q===（4.2）其中：稱為熱阻，δ為熱導(dǎo)體的材料厚度。公式表明：通過物體的熱流量與流過固定電阻器的電流十分相似。由歐姆定律：，現(xiàn)作如下類比：電流I—熱流Q；電壓V—溫差；電阻—熱阻，這就是熱電模擬法的基本原理，給分析問題帶來方便。熱設(shè)計中大多采用熱電模擬法進行熱阻網(wǎng)絡(luò)的熱阻計算，這種方法有利于電氣工程師用熟悉的電路網(wǎng)絡(luò)表示方法來處理熱設(shè)計問題，也有利于計算機進行輔助分析及仿真計算。熱電模擬法就是將熱流量（功耗）模擬為電流；溫差模擬為電壓（或電位差）；熱阻模擬為電阻，熱導(dǎo)模擬為電導(dǎo)。這種模擬方法適用于各種傳熱形式，尤其是導(dǎo)熱，可把熱容模擬為電容。同時分析電路的數(shù)學(xué)方法均適用于這種模擬電阻網(wǎng)絡(luò)，這些方法涉及的范圍包括從簡單的基爾霍夫定律計算，一維傳輸線及多維場論、積分變化及線性圖形法以及差分方程等。利用熱電模擬的概念，可以解決穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)條件下的傳熱。溫度（溫差）是引起熱流量傳遞的“電位”，恒溫?zé)嵩吹刃в诶硐氲暮銐涸?。穩(wěn)態(tài)下，電子設(shè)備的功耗是恒定的，則恒定的熱流源等效于理想的電流源。導(dǎo)熱、對流和輻射換熱的區(qū)域可用熱阻來處理，如同電阻定義為兩點間電壓與電流之比，熱阻定義為兩點間溫差與熱流之比。熱沉等效于“接地”或“地線”，所有的熱源和熱回路均與其相連接，形成熱電模擬網(wǎng)絡(luò)。功率器件裝上散熱器后，其散熱途徑將會有所變化。器件內(nèi)熱阻RTj保持不變，器件的熱量一方面通過外殼直接向周圍傳遞，外熱阻為RTp；另一方面器件將熱量傳給散熱器，它們之間的熱阻為接觸熱阻RTc，然后再由散熱器把熱量發(fā)散到周圍空間，其熱阻為散熱器熱阻RTf，熱阻網(wǎng)絡(luò)如圖4.1所示。通常外殼直接散到周圍環(huán)境的熱量遠比經(jīng)散熱器散到周圍空間的熱量少，則外殼到周圍環(huán)境的散熱可忽略不計，而認為熱量都經(jīng)散熱器散到周圍環(huán)境空間，即有RTp》（RTc+RTf），則圖4.1可簡化為圖4.2。圖4.1安裝散熱器的熱阻網(wǎng)絡(luò)圖圖4.2熱阻網(wǎng)絡(luò)簡化圖4.4熱阻網(wǎng)絡(luò)模型分析根據(jù)熱電模擬法，將功耗模擬為電流，溫差模擬為電壓，熱阻模擬為電阻可以計算出熱阻網(wǎng)絡(luò)中各個熱阻值。RT＝RTj+RTc+RTf＝（4.3）式中RTj＝（4.4）RT＝（4.5）RTf＝（4.6）其中Tj：功率器件結(jié)溫（oC）；Tc：功率器件的殼溫（oC）；Tf：散熱器最高溫度點的溫度（oC）；Ta：環(huán)境溫度（oC）；RT：系統(tǒng)總熱阻（oC/W）；PD：功率器件耗散功率（W）。由公式（4.3）可知，要提高功率器件經(jīng)過散熱器耗散的熱量，應(yīng)盡量降低各個熱阻值。而功率器件內(nèi)熱阻RTj由功率器件的工藝決定的，其值固定不變的，因而應(yīng)主要考慮如何采取有效措施減小功率器件與散熱器之間的接觸熱阻和散熱器熱阻。接觸熱阻RTc是器件與散熱器之間的接觸應(yīng)力產(chǎn)生的接觸熱阻，影響因素較多。散熱器的熱阻RTf是選擇散熱器的主要依據(jù)。

5某照明用大功率LED陣列的散熱設(shè)計5.1LED陣列簡介LED照明陣列的結(jié)構(gòu)如圖5.1所示，其中9只1W的白光LED和9只用于情景照明的RGB芯片間隔貼裝在長方形的鋁制線路板上。LED芯片用高導(dǎo)熱銀膠貼裝在內(nèi)部熱沉（黃銅）上，芯片電極通過金線與引線框架連接，芯片外部用硅橡膠或者其他熱穩(wěn)定性、絕緣性，以及光學(xué)透明的樹脂材料封裝，熱沉四周用塑料材料封裝；最后整個LED器件用高導(dǎo)熱銀膠貼裝在金屬基線路板上，材料的具體參數(shù)見下表5.1。圖5.1大功率LED照明陣列結(jié)構(gòu)簡圖LED采用藍寶石襯底的GaN藍光芯片激發(fā)黃色熒光粉，從而產(chǎn)生白光；RGB總功率為1W，內(nèi)部封裝了紅、綠、藍三色芯片，可控制單獨發(fā)光實現(xiàn)情景照明，全部發(fā)光則組合成白光。在模塊中電流通路與熱流通道各自獨立，有利于進一步散熱設(shè)計與實現(xiàn)，使用方便。發(fā)光芯片的光轉(zhuǎn)化效率約為30～32％，芯片結(jié)溫極限為125°C，工作溫度極限為-40°C～+85°C，LED熱阻約8°C/W。表5.1LED陣列中各材料的熱參數(shù)材料藍寶石GaN鋁導(dǎo)熱系數(shù)/35130178材料銀膠黃銅導(dǎo)熱系數(shù)/3.8389光轉(zhuǎn)化效率30%5.2LED陣列散熱器的設(shè)計為了使LED照明陣列有更好的散熱效果，在LED照明陣列得背板加裝鋁制肋片散熱器（見圖5.2），金屬線路板和散熱器底座用高導(dǎo)熱銀膠粘結(jié)。這種散熱器結(jié)構(gòu)成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單、便于制成模具大規(guī)模生產(chǎn)；并且鋁有極高的導(dǎo)熱率，具備良好的散熱效果。5.2.1散熱器結(jié)構(gòu)的確定從外形上看，散熱器可分為兩種類型，一種是平板型散熱器，它結(jié)構(gòu)簡單，容易自制，但散熱效果較差，且所占面積較大；另一種是經(jīng)加工成型、構(gòu)成系列化產(chǎn)品的散熱器，如型材散熱器、叉指型散熱器、扇頂型散熱器和塑封器件專用散熱器等，此類散熱器的散熱效果好，易于安裝，適合進行大批量生產(chǎn)，但成本較高。本論文選擇型材鋁制肋片式散熱器，它適用于大面積器件的散熱，肋片式散熱器結(jié)構(gòu)簡單易于制造，比較適用于大功率LED陣列的散熱。5.2.2幾何參數(shù)的選取1）散熱器長度。肋片長度適當增加能減小器件結(jié)溫，但是過分增加肋片長度不能確保熱量傳導(dǎo)至散熱器肋片的末端，因此使傳熱受到影響，不能大大降低結(jié)溫，反而使散熱器重量增加太多。一般認為散熱器的肋片長度和基座寬度之比接近1傳熱較好，同時為便于加工，選擇散熱器長為60cm。2）散熱器肋片高度。隨著肋片高度的增加，器件的熱量更易通過肋片散至周圍空間，但是如果肋片高度過高，會增加散熱器的體積和重量。選擇在基座上方肋片高為7.5mm基座下方肋片高為15mm。3）散熱器肋片的個數(shù)。一般隨著肋片數(shù)目的增多器件結(jié)溫會有所降低，但是超過某一數(shù)值后隨著肋片的增多器件結(jié)溫沒有明顯變化，而散熱器重量明顯增加。同時肋片數(shù)目增加有時還要考慮器件安裝的問題，有的器件安裝在散熱器兩肋片之間，如果肋片數(shù)太多，器件不易安裝在散熱器上。一般選擇肋片的個數(shù)為8片左右，本文選擇肋片數(shù)為9片（見表5.2）。5.2.3散熱器的材料散熱器一般都要進行煮黑氧化處理，降低散熱器熱阻，減小熱源結(jié)溫，使得器件更安全可靠工作。散熱器材料選取銅或者鋁對于散熱器性能并沒有太大影響，本文選擇的是價格較低的純鋁材料。表5.2散熱器參數(shù)表肋片位置肋片個數(shù)肋片厚度肋片高度肋片間距基座厚度基座上方91.1mm7.5mm4.3mm1.1mm基座下方21.1mm15mm34.5mm—圖5.2散熱器剖面圖5.3LED照明陣列熱阻網(wǎng)絡(luò)模型由于對流換熱和輻射換熱起的作用較小，忽略對流換熱和輻射換熱的影響，只考慮主要熱通道的熱傳導(dǎo)。硅橡膠/環(huán)氧樹脂、熒光粉和塑料外殼封裝的熱導(dǎo)率極低，只考慮熱量從芯片到芯片熱沉底部的熱傳導(dǎo)的路徑，得到LED照明陣列的簡化等效熱阻網(wǎng)絡(luò)。如圖5.3，可以把LED照明系統(tǒng)總熱阻進一步分解為從芯片PN結(jié)到外界環(huán)境的傳熱通道上兩個層次：器件內(nèi)部熱阻和外部熱阻。圖中表示LED芯片的結(jié)溫，表示LED的殼溫，表示環(huán)境溫度。圖5.3簡化熱阻模型5.4LED結(jié)溫的計算由半導(dǎo)體器件的熱阻計算公式（見4.4節(jié)）：RTj＝（5.1）得到（5.2）式中：—芯片結(jié)溫；—LED芯片的內(nèi)熱阻—器件外殼溫度；—耗散熱功率。單層材料的一維傳導(dǎo)熱阻公式（5.3）式中：d—厚度；K—導(dǎo)熱系數(shù)；A—傳導(dǎo)面積。由公式（5.1）可知，由此可以得到結(jié)溫與殼溫之間的關(guān)系，由于芯片的結(jié)溫不宜測量，所以我們準備采用軟件仿真與試驗相結(jié)合的辦法解決結(jié)溫測量的問題。

6LED照明陣列的仿真分析6.1引言本論文使用的是ICEPAK軟件對整個LED系統(tǒng)進行建模和仿真，ICEPAK是一款強大系統(tǒng)的熱分析工具，可以解決元件級、板級和系統(tǒng)級的熱問題。使設(shè)計人員可以快速建立電子設(shè)備模型、分析熱傳輸和模擬流場分布。6.2ICEPAK軟件概述6.2.1理論基礎(chǔ)ICEPAK的理論基礎(chǔ)主要是傳熱學(xué)和流體力學(xué)（包括質(zhì)量、動量和能量守恒三大定律）。進行熱分析時，首先根據(jù)守恒定律建立微積分方程，對其求解，從而得到溫度場的分布情況。[12]熱分析方法根據(jù)對微積分方程求解的不同，電子設(shè)備的熱分析方法主要分為兩類：解析法和數(shù)值法。目前一般采用數(shù)值法。數(shù)值法主要分有限元法、有限差分法和有限體積法三種。ICEPAK采用的是有限體積法，有限體積法是一種新型的積分方程的離散方法，目前已成為求解溫度分布的主要方法。6.2.2Icepak技術(shù)特點Icepak主要的技術(shù)特點如下： 1）建?？焖伲簬в胁糠帜Ｐ蛶?，且通過鼠標即可對模型進行選取、定位以及改變視角等2）先進的網(wǎng)格技術(shù)：根據(jù)用戶需要，能自動生成各種網(wǎng)格，包括結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非連續(xù)化網(wǎng)格等，支持四面體、五面體、六面體、柱體和混合網(wǎng)格，且能進行局部加密3）廣泛的模型能力：能對各種模型進行求解分析，包括自然對流、強迫對流和混合對流模型；熱傳導(dǎo)模型、流體與固體耦合傳熱模型、物體表面間的熱輻射模型；層流、湍流、穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)問題；多種流體介質(zhì)問題。4）強大的解算功能：采用的求解器是Fluent，它應(yīng)用的是有限體積法，支持并行算法，能快速的對結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化等網(wǎng)格進行求解。5）強大的可視化后處理：可以根據(jù)用戶的需要，生成各種圖形（包括表面分布圖、等值面圖、網(wǎng)格圖、粒子軌跡圖、切面云圖等）、報告（摘要報告、詳細報告、目標點報告等）和動畫（以Avi，Mpeg，Gif等形式保存）來展現(xiàn)熱分析結(jié)果。6.2.3應(yīng)用范圍ICEPACK在工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用：如機柜流場分析、通訊設(shè)備、芯片級板級封裝分析、系統(tǒng)級熱分析、散熱器分析、數(shù)值風(fēng)道測試、熱管建模分析等領(lǐng)域都有很好的表現(xiàn)。6.3模型的建立6.3.1概述在ICEPAK軟件中建立LED燈具的模型，主要由熱源、金屬線路板、高導(dǎo)熱銀膠和散熱器組成。模型中把每只功率LED考慮成一個熱源，共有18個發(fā)光芯片，每個芯片的耗散功率為1W，該燈具長60mm、寬3.4mm、高2.4mm，燈具的外殼和散熱翅片應(yīng)用的是純鋁材料，線路板采用的是鋁基金屬線路板。對流模式為空氣自然對流，一般空氣的自然對流系數(shù)為5~10，取平均值7.5?？紤]到模塊可能會在各種環(huán)境工作，周圍環(huán)境溫度設(shè)定為較為惡劣的溫度40℃。為了簡化模型，不考慮封裝過程各層之間的接觸熱阻。建模過程中，Xs、yS、zS表示各元件的起始點坐標，xE、yE、zE表示個元件的終止點坐標。6.3.2線路板的建模線路板和LED外殼的兩側(cè)和底部均選用block進行模擬，block1用來模擬pcb板，其類型選用Network，它是通過block來建立IC封裝的網(wǎng)絡(luò)熱阻模型，數(shù)據(jù)見下表6.2，具體操作見下圖6.1：表6.2線路板幾何參數(shù)NamexSySzSxEyEzESolidmaterialTotalpowerblock-ps10000.60.0240.034Al-Extruded0圖6.1線路板建模操作界面block2和block3用來模擬LED外殼的兩個側(cè)壁，其類型選用solid，它表示的是具有厚度的導(dǎo)熱板，可以選擇材料來設(shè)定它的面內(nèi)和法向?qū)崧室娤卤?.3，具體操作見圖6.2：表6.3壁板參數(shù)NamexSySzSxEyEzEBlocktypeSolidmaterialTotalpowerBlock200.0800.60.010.034solidAl-Extruded0Block300.0100.60.0240.002solidAl-Extruded0Block400.010.0320.60.0240.034solidAl-Extruded0圖6.2散熱器側(cè)壁建模操作界面6.3.3散熱翅片建模選用blate來模擬散熱器的散熱翅片，總共有9個翅片，類型選用conductingthick，它是具有厚度的導(dǎo)熱板，可以選擇材料來設(shè)定它的面內(nèi)和法向?qū)崧?，材料參?shù)見下表6.4，具體操作界面見下圖6.3。表6.4翅片材料參數(shù)NamexSySzSxEyEzESpecificationPlate10000..60.008/Thickness:0.002mSolidmaterial:Al-DuraluminTotalpower:0WPlate2000.0040.60.008/Plate3000.0080.60.008/Plate4000.0120.60.008/Plate5000.0160.60.008/Plate6000.020.60.008/Plate7000.0240.60.008/Plate8000.0280.60.008/Plate9000.0320.60.008/圖6.3翅片建模操作界面6.3.4LED芯片的建模芯片用source來模擬pcb板上的熱源，表示來自于芯片供應(yīng)塊發(fā)出的熱量，芯片的功率都定為1W。具體材料參數(shù)見下表6.5，具體操作界面見下圖6.4：表6.5熱源的參數(shù)NamexSySzSxEyEzESpecificationsource.10.0180.0120.01250.027/0.0205shape:RectangularPlane:X-ZTotalheat:1WMaterial：Ceramic-surfacesource.20.0510.0120.01250.06/0.0205source.30.0840.0120.01250.093/0.0205source.40.1170.0120.01250.126/0.0205source.50.150.0120.01250.159/0.0205source.60.1830.0120.01250.192/0.0205source.70.2160.0120.01250.225/0.0205source.80.2490.0120.01250.258/0.0205source.90.2820.0120.01250.291/0.0205source.100.3150.0120.01250.324/0.0205source.110.3480.0120.01250.357/0.0205Source.120.3810.0120.01250.39/0.0205source.130.4140.0120.01250.423/0.0205source.140.4470.0120.01250.456/0.0205source.150.480.0120.01250.489/0.0205source.160.5130.0120.01250.522/0.0205source.170.5460.0120.01250.555/0.0205source.180.5790.0120.01250.588/0.0205圖6.4LED芯片建模操作界面6.3.5LED外殼兩端及上表面建模LED外殼兩端及上表面的模擬用Opening來實現(xiàn)，Opening可以理解為一個平面開口，可以有各種形狀，這個開口也可以輸入其邊界參數(shù)，參數(shù)包括靜壓、溫度、X方向流速、Y方向流速、Z方向流速。如果整個平面的溫度是一個數(shù)值，則輸入溫度即可，如果平面溫度分布不是常數(shù)，則選中Porfile可以編輯平面上各區(qū)域的溫度分布，其它參數(shù)也是類似。這里我們選用的是默認狀態(tài)就可以。具體材料數(shù)據(jù)見下表6.6，操作界面見下圖6.5：表6.6孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)NamexSySzSxEyEzESpecificationOpening100.080/0.0240.034Plane:Y-ZTotalpower:0WOpening20.60.080/0.0240.034Opening300.0240.0020.6/0.034Plane:X-ZTotalpower:0W圖6.5燈具開口的建模操作界面把上面各個單個的器件綜合在一起，最終可得LED燈具的模型圖（見圖6.6）圖6.6LED模塊6.4網(wǎng)格的劃分與求解分析6.4.1網(wǎng)格劃分對已建完的模型進行網(wǎng)絡(luò)劃分，首先進行粗劃分，網(wǎng)格類型選用Hexaunstructured表示結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的混合網(wǎng)格，檢查網(wǎng)格的質(zhì)量然后進行局部加密，取x方向長度的1/100即0.03m，取Y方向0.002m，取Z方向取0.003m，首先在Globalsettings中選中coarse對模型的網(wǎng)格進行粗劃分，選中Disdlav和Qualitv對網(wǎng)格的質(zhì)量進行檢查，可知在芯片上的網(wǎng)格數(shù)過少，此時可以在Meshcontrol中選中Objectparams對網(wǎng)格進行進一步的劃分，同時在Globalsettings中選擇Normal可得到局部加密后的網(wǎng)絡(luò)圖（見圖6.7）圖6.7LED陣列網(wǎng)格劃分局部視圖6.4.2求解網(wǎng)格劃分完成后，需對模型進行求解分析，迭代次數(shù)取默認值100，不考慮熱輻射。（見下圖6.8）求解速度曲線如下：圖6.8求解曲線6.4.3溫度顯示利用ICEPAK對模型進行求解后，對線路板、芯片以及背板的溫度進行檢查，獲得金屬線路板、背板和LED芯片的穩(wěn)態(tài)溫度云圖。1）顯示線路板溫度云圖（見圖6.9）圖6.9LED陣列線路板溫度分布圖2）LED芯片溫度場分布圖（見圖6.10）圖6.10LED芯片的溫度場分布圖3）背板的溫度場分布圖（見圖6.11）圖6.11背板的溫度場分布6.4.4LED結(jié)溫的計算由LED陣列的線路板、背板和LED芯片的溫度場分布（圖6.9和圖6.10）。可以看出，溫度最高的區(qū)域集中在模塊的中部，兩端相對較低，從熱源溫度圖得到最高芯片的殼溫是80.4℃由5.4節(jié)建立的等效熱阻網(wǎng)絡(luò)模型及計算公式，可得：RTj＝（6.1）得到（6.2）式中：—芯片結(jié)溫；—器件外殼溫度；—耗散熱功率?！狶ED芯片的內(nèi)熱阻單層材料的一維傳導(dǎo)熱阻公式為：（6.3）式中：d—厚度；K—導(dǎo)熱系數(shù)；A—傳導(dǎo)面積。由公式（6.3）代入內(nèi)部熱沉和粘結(jié)層的尺寸參數(shù)和熱參數(shù)計算由=8代入公式（6.2）得到

7試驗驗證7.1引言在第六章我們利用ICEPAK對大功率LED照明陣列進行了軟件仿真，經(jīng)計算得到了LED的最高殼溫為80.4，為了驗證仿真結(jié)果的正確性，對大功率LED照明燈具進行熱試驗。7.2試驗條件確定把大功率LED燈具，放入溫度試驗箱，由于所設(shè)計的大功率LED照明燈具工作環(huán)境極限溫度為-40°C～+85°C，通常室溫的溫度為27°C，試驗中我們將試驗箱的溫度設(shè)定為比較嚴酷的40°C，連續(xù)工作1000小時，采用接觸式熱測量系統(tǒng)，測量芯片底部和線路板上的7.3試驗過程將LED燈具放入恒定溫度試驗箱，空氣設(shè)定為自然對流，溫度調(diào)至40°C，時間設(shè)定為1000h，見下圖7.1（a）和7.1（b）：圖7.1（a）LED燈具熱試驗裝置圖7.1（b）LED燈具熱試驗裝置表7.1為熱試驗的試驗結(jié)果：表7.1傳感器數(shù)據(jù)線號123456溫度67.356.55762.862.970.2（1號傳感器測量LED散熱器背板中間位置溫度，2號傳感器測量背板左端點位置溫度，3號傳感器測量背板右端點位置溫度，4號傳感器測量LED線路板左端點位置溫度，5號傳感器測量LED線路板右端點位置溫度，6號傳感器測量LED線路板中間位置溫度）7.4試驗結(jié)果分析表7.2將試驗結(jié)果與仿真結(jié)果進行對比：表7.2LED陣列試驗與簡化模型建模的熱分析結(jié)果對比傳感器位置實測溫度（℃）分析溫度(℃)誤差（%）1背板中間67.374.610.82背板左端56.558.33.23背板右端5758.42.54線路板左端62.856.510.035線路板右端62.957.29.066線路板中間70.279.613.4平均誤差8.16式中，通過建模仿真分析得到LED的最高殼溫為80.4oC，計算得到LED的結(jié)溫為86oC，小于LED照明燈具結(jié)溫的最高允許溫度125oC，LED熱實驗的獲得的最高殼溫為70.2oC，與仿真分析獲得殼溫的平均誤差為8.16%，說明仿真方法結(jié)果是正確的。

結(jié)論本論文在研究了有關(guān)LED封裝的熱特性后，為某LED照明陣列設(shè)計了鋁制肋片式散熱器。通過對LED照明陣列建立等效熱阻網(wǎng)絡(luò)模型，獲得LED結(jié)溫與殼溫之間的關(guān)系，再利用ICEPAK軟件對LED照明燈具進行仿真分析，獲得LED的殼溫，經(jīng)計算得出了LED的結(jié)溫。為驗證仿真結(jié)果的正確性，將LED照明燈具放入溫度試驗箱，溫度恒為40oC，最后將試驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進行對比分析。通過ICEPAK軟件仿真分析，獲得LED器件金屬線路板、LED的芯片以及背板的溫度場的分布圖，可以得出LED的最高殼溫為80.4oC，經(jīng)計算LED的最高結(jié)溫為86oC低于燈具的設(shè)計最高允許溫度125oC。為驗證仿真結(jié)果的正確性，將LED照明燈具放入溫度試驗箱，通常情況下室溫是27oC，試驗中溫度設(shè)定為比較嚴酷的40oC，實時監(jiān)控LED照明陣列金屬線路板和背板的溫度，試驗得到LED的最高殼溫為79.6oC。試驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對比分析，表明利用ICEPAK軟件對LED照明陣列進行的仿真分析是正確的，本論文為該LED照明陣列設(shè)計的散熱器可以滿足燈具散熱的要求。對大功率LED照明燈具，背板加裝鋁制肋片式散熱器可以滿足散熱的需要。致謝在本論文即將完成的時候，我首先要深深感謝導(dǎo)師高成老師，衷心感謝高老師在課題的選定、進展、論文的撰寫修改上，傾注了無微不至的關(guān)心和指導(dǎo)。在論文的研究過程中，還要特別感謝付桂翠老師為論文把握整個大方向，提出了很多寶貴的建議，付老師學(xué)識淵博，為人和藹，治學(xué)嚴謹，經(jīng)驗豐富。從高老師和付老師身上我學(xué)會了很多做學(xué)問、做人的道理，這將使我受益一生。論文的研究過程中，得到了師兄劉雁潮的悉心指導(dǎo)和幫助，以及436試驗室、341401班的同學(xué)們的熱心幫助，在此向他們表示衷心的感謝！

參考文獻[1]/article/23/74/2007/09/14/200709144982.htm，2007-9-[2]/Article/xjs/ggdj/200701/16580.html，2007-1-31/2008-5-10.[3]/270/270.html，2008-5-10/2008-5-13.[4]李慶友，王文，周根明．電子元器件散熱方法研究[J].電子學(xué)報．2005年12月.[5]龍昊.功率器件熱設(shè)計及散熱器優(yōu)化設(shè)計技術(shù)研究[D].北京：北京航空航天大學(xué)2003.[6]付桂翠，高澤溪.影響功率器件散熱器散熱性能的幾何因素分析[J].電子器件.2003年12月.[7]錢可元,鄭代順,羅毅.GaN基功率型LED芯片散熱性能測試與分析[J].半導(dǎo)體光電.2006年27（3）[8]蘇達，王德苗.大功率LED散熱封裝技術(shù)研究[J].中國照明電器.2007年第七期.[9]李炳乾.基于金屬線路板的新型大功率LED及其光電特性研究[J].光了學(xué)報.2005年34(3).[10]余彬海，李舜勉.功率LED芯片鍵合材料對器件熱特性影響的分析與仿真[J].佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院學(xué)報.2005年23(4).[11]吳懿平，丁漢等.電子制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社.2005年5月[12]FluentInc．ICEPAK4.0User’ｓGuide．Lebanon[M]，NH03766．May28，2002．[13]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社.2004年5月附錄部分材料的導(dǎo)熱系數(shù)表[13]材料（室溫）λ/[W/(m·K)]材料（室溫）λ/[W/(m·K)]鋁純鋁216空氣0.02655052144氧化鋁296061T6156膠木0.192024T4121氧化鈹（99.5%）1977075T6121碳6.923356T6151環(huán)氧樹脂無填料0.208鈹164高級填料2.163銅鈹合金87環(huán)氧玻璃纖維板0.26銅純銅398環(huán)氧玻璃纖維板多層0.127mm環(huán)氧34.61銅絲287帶0.0711mm敷銅層與板平行青銅225與板垂直3.461黃銅93玻璃0.8655%磷青銅52玻璃纖維0.0398金294冰2.129鐵精制鐵59云母0.71鑄鐵55聚酯薄膜0.19柯伐合金16尼龍0.242鉛33酚醛塑料普通酚醛塑料0.519鎂純鎂159紙基酚醛塑料0.277鑄鎂71耐熱有機玻璃0.19鉬130聚苯乙烯0.106鎳純鎳80聚氯乙烯0.156鉻鎳鐵合金17硼硅酸玻璃1.263蒙乃爾合金30橡膠丁基橡膠0.26銀419硬橡膠0.19鋼SAE101059軟橡膠0.139SAE102055硅脂0.208SAE104545硅橡膠0.19SAE413042泡沫聚苯乙烯0.0346白鐵皮62聚四氟乙烯0.19鈦16水0.658鋅102木頭楓木0.166松木0.116目錄TOC\o"1-2"\h\u253321總論 1311911.1項目概況 1317891.2建設(shè)單位概況 3162241.3項目提出的理由與過程 3311231.4可行性研究報告編制依據(jù) 4225921.5可行性研究報告編制原則 426521.6可行性研究范圍 5265791.7結(jié)論與建議 665262項目建設(shè)背景和必要性 9302042.1項目區(qū)基本狀況 9237942.2項目背景 11327472.3項目建設(shè)的必要性 11265903市場分析 14297233.1物流園區(qū)的發(fā)展概況 1479553.2市場供求現(xiàn)狀 1669963.3目標市場定位 17108883.4市場競爭力分析

17160544項目選址和建設(shè)條件 1950564.1選址原則 1969314.2項目選址 19544.3場址所在位置現(xiàn)狀 19297334.4建設(shè)條件 20123545主要功能和建設(shè)規(guī)模 22282555.1主要功能 22281835.2建設(shè)規(guī)模及內(nèi)容 26195696工程建設(shè)方案 27137726.1設(shè)計依據(jù) 27219396.2物流空間布局的要求 27262516.3空間布局原則 2853886.4總體布局 2936766.5工程建設(shè)方案 30235856.6給水工程 33115596.7排水工程 3553126.8電力工程 38288986.9供熱工程 46314656.10電訊工程 P