摘要：考虑热导率与散热办法的影响，运用大型有限元软件ANSYSl0.0模仿并剖析了大功率LED热散布。通过剖析不同封装、热沉资料及散热办法对LED热散布与最大散热才能的影响，指出处理LED散热问题的要害不是寻觅高热导率的资料，而是改动LED的散热结构或许散热办法。
关 键 词：大功率LED；散热；有限元法(FEM)；热导率
1 导言
现在，许多功率型LED的驱动电流到达70 mA、100 mA乃至1 A，这将会引起芯片内部热量集合，导致发光波长漂移、出光功率下降、荧光粉加速老化以及运用寿命缩短等一系列问题。业界现已对大功率LED的散热问题作出了许多的尽力：通过对芯片外延结构优化规划，运用外表粗化技能等进步芯片表里量子功率，削减无辐射复合发生的晶格振动，从根本上削减散热组件负荷；通过优化封装结构、资料，挑选以铝基为主的金属芯印刷电路板(MCPCB)，运用陶瓷、复合金属基板等办法，加速热量从外延层向散热基板发出。大都厂家还主张在高功能要求场合中运用散热片，依托强对流散热等办法促进大功率LED散热。尽管如此，单个LED产品现在也仅处于1～10 W级的水平，散热才能仍亟待进步。相当多的研讨将精力集中于寻觅高热导率热沉与封装资料，但是当LED功率到达lO W以上时，这种重视遇到了相当大的阻力。即便施加了风冷强对流办法，献身了本钱优势，也未能取得令人满意的改动。
评论在现有结构、LED封装及热沉资料热导率等要素改动关于其最大功率的影响，寻觅影响LED散热的要害要素。研讨办法为有限元热剖析法．该办法已有试验验证了LED有限元模型与其实在器材之间的不同，证明其在差错答应范围内是精确可行的。
2 树立模型
2．1 有限元热剖析理论
三维直角坐标系中的瞬态温度场场变量T(x，y，z，t)满意：
式中：T/x，T/y，T/z为沿x，y，z方向的温度梯度；λxx,λyy，λzz为热导率；q0为单位体积的热生成；ρc是密度与比热容的乘积：dT/dt为温度随时刻的改动率。
式中：Vx，Vy,Vz为前言传导速率。
关于稳态热剖析而言，T/t=0，式(1)可化简为：
依据式(3)、边界条件与初始条件，运用迭代法或许消去法求解，得出热剖析成果。
2．2 几许模型的树立
图1为依据常见1 w大功率LED尺度树立并简化、海鸥翼封装铝热沉的大功率LED图形，底座接在MCPCB铝基板上。首要数据：芯片尺度为1 mm×1 mm×O.25 mm，透镜为直径是13 mm的半球。硅衬底为边长17 mm，高0.25 mm的正六棱柱，MCPCB为直径20 mm，高1.75 mm的六角星形铝质基板。
2．3 有限元模型的树立
模型选用ANSYSl0.0核算，为便利剖析，假定模型：
LED输入功率为1 W，光功率取10％；封装体外部的各组件(包含MCPCB、陶瓷封装、热沉的外部)通过与空气的对流散热；器材与外界的热对流系数为20。作业环境温度为25℃；器材满意运用ANSYS软件进行稳态有限元热剖析的条件；最大结温挑选为125℃。各种资料的参数如表1所示。
3 剖析各种要素关于散热才能的影响
3.1 热辐射系数对LED散热的影响
图2为外表黑度为0.8时的温度云图。依据斯蒂芬-玻耳兹曼规律，辐照度j*与温度T之间的联系：j*=εσT4。其间ε为黑体的辐射系数；σ=5.67×10-8w／(m2·k4)，称为斯蒂芬-玻耳兹曼常数。因而可知，温度越高，辐照度越大。当输入功率为1 W时，经由外表辐射散出的热能为7.63×10－4W，仅占总热功率的1.63‰；功率到达2 W时，经辐射散出的热能也仅占6.33‰。因而改动热辐射系数关于进步散热才能改进成效不大，散热的要害在于进步别的两种散热办法：热传递和热对流。尽管如此，仍有一些厂家将LED器材的外外表涂成黑色，以期最大极限地运用辐射散热。
3．2 热导率对LED的散热的影响
只考虑热传导与对流，改动不同封装填充资料如硅树脂．得出成果，如图3所示。即便找到一种热导率高达7 Wm-1K-1的环氧树脂成分封装资料时，比较运用热导率为0.25 Wm-1K-1的环氧树脂成分封装资料时，芯片温度下降不多，铝基板温度只下降了2.271℃，最大功率仅进步了0.69 W。实际上，热导率值超越7Wm-1K-1以上、可商业化的通明硅树脂封装资料现在尚无文献报道。散布云图如图4所示。
表2给出透镜热导率为0.2 Wm-1K-1时，不同热沉资料的导热系数关于LED最大功率影响。由表2看出，热沉资料关于LED的最大散热才能的影响很小。
综上所述，热导率改动对LED最大功率影响弱小。
3．3 添加散热面积对LED散热的影响
表3为3种不同散热办法对LED的温度散布、最大功率的影响。能够看出，添加散热面积是很好的散热办法，能够轻易地进步LED器材散热才能，这是现在LED产品所遍及运用的散热办法之一。但是缺陷也很明显：影响本钱、添加产品分量、影响封装密度。无极限地进步LED散热片面积明显不现实，因而一般运用1.5inch2散热片进步LED产品最大功率至10 W左右，出于本钱等要素就不能持续进步。
3．4 对流办法对LED散热的影响
常见对流散热办法有两种：天然对流和强制对流。固定结构的散热与外表传热系数有关。空冷办法时，不同传热系数对最大功率的影响如图5所示。强对流办法在必定速度内会大大进步LED产品的散热才能，有助于进步散热作用。
综上所述，无论是添加散热面积仍是添加对流速度都不能无约束地进步散热才能，其原因在于：当散热结构、办法固定后，即便LED导热率有所上升，也无法真实大幅度下降芯片温度；事实证明添加散热面积，能够促进散热。但由于本钱约束，且不或许无约束地添加散热面积，因而，要进步LED产品的散热才能，要害要在最大尽力添加散热面积时，寻觅一种能够快速将上外表热量带走的散热办法。
4 结语
运用ANSYS软件对大功率LED进行三维有限元热剖析，并制作了其受不同要素影响时器材的温度云图，通过比较各种要素对散热功能的影响，得出结论：在通过必要的选材优化后，关于资料热导率的寻求仅仅对进步LED散热才能细枝末节地修正，想要大幅度地进步LED的散热才能，要害是添加散热面积与改动散热办法。
