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[LED散热] LED散热模型   [复制链接]

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发表于 2012-6-4 09:37:42 |显示全部楼层
LED散热模型

  本文针对65×65mm一面设有九颗1×1mm、1W的LED芯片,另一面为肋片的铝制散热片,利用数值法求解三维稳态导热微分方程,利用计算机专用软件计算得到不同LED芯片分布时,散热片芯片表面的温度分布,根据其温度场来分析LED芯片分布对其散热的影响。结果是:九颗芯片集中在一起散热效果最差,芯片之间的距离应达到5mm以上,其芯片温度可降低近5℃以上。

  引言

  LED照明,由于节能显著,被认为是下一代照明技术。LED是冷光源,其光谱中不包含红外部分,而目前LED发光效率仅达到20%,也就是说有80%以上的电能转换成热能。如果热量不能有效散出,芯片的温度上升,会导致光效下降,光衰加剧,严重时烧毁芯片,LED芯片散热是当前LED照明发展中的一大未解决的问题。LED芯片的散热过程并不复杂,只是一系列导热过程再加对流换热过程,温度范围不高,属于常温传热,其内的导热过程,完全可以运用计算机专用软件求解三维导热微分方程,计算分析出LED芯片中、散热片内的导热过程,以及散热片外表的对流换热,分析出整个传热过程中主要的热阻在何处,什么原因造成的,可以得到一非常清晰的解,使人们有的放矢。但当前LED散热以及同类的半导体芯片散热,都缺少这一基础性和指导性的研究,即使有人做了,但不为众人所知。由此造成当今LED散热技术就像春秋战国时代样,出现采用热管,甚至提出采用回路热管。本文仅从LED芯片分布不同,来研究分析其对散热的影响,将对LED芯片中的设计和制造起着指导性意义。

  1、计算模拟的模型
LED散热模型 - OFweek论坛 - 1.jpg


  图1

  如图1所示,铝制散热片的一侧面设有9颗1×1mm,1w的芯片,还有0.1mm厚导热系数取4w/(m·k)的绝缘导热层,肋片的总面积为 m2,空气对流换热系数为 =6 w/(m2·k),铝的导热系数取202 w/(m ·k)。为简化计算,不考虑肋片内的导热问题,由肋片散热面简化折算成65×65mm,对流换热系数为 85 w/(m2·k)的对流换热面。也就是求解一侧面为对流换热面( =85w/(m2·k)),另一侧为9颗芯片(1×1mm,1w)的铝块(65×65×3mm)在芯片间距不同时其内部的温度场。

  求解方程:
LED散热模型 - OFweek论坛 - 2.jpg


  即为三维稳态导热微分方程,通常称为拉普拉斯方程式。利用专用的计算软件求解。

  2、计算结果
LED散热模型 - OFweek论坛 - 3.jpg


  图2为:不同芯片间距,LED芯片所处的散热片金属表面,过中心点的温度分布。

  芯片间距L取1mm、2.5mm、5mm、7.5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm。

  当L=1mm时,即9颗LED芯片集中在一起,之间没间隙。

  表1列不同芯片间距,LED芯片所处散热片金属表面中心点(也即温度最高点)的温度值及其差别。以上计算中环境温度取40℃(313K)。
LED散热模型 - OFweek论坛 - 4.jpg

  (点击图片查看高清原图)

  3、分析

  从图2和表1中可清楚地看:当把9颗LED芯片集中在一起(芯片间距L=1mm)时,中心点(芯片所处的温度最高点)温度最高,也就是散热效果最差。当芯片间距增加1.5mm(L=2.5mm)时,最高点温度就下降3.1℃,芯片间距增加4mm(L=5mm)时,最高点温度下降4.8℃。当芯片间距为L=7.5mm时,最高点温度下降5.6℃。当芯片间距L=10mm时,温度下降6.1℃。当芯片间距L=20mm时,温度下降7.2℃。在间距L=10mm内温度降低显著。

  4、结果

  (1)LED芯片分布对散热有很大影响,应该将LED芯片分散开。

  (2)对于1×1mm,1w的LED芯片,芯片间距取5~10mm为佳





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