《電子技術應用》
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LED芯片分布對散熱影響的研究[圖例]
摘要: 本文針對65×65mm一面設有九顆1×1mm、1W的LED芯片,另一面為肋片的鋁制散熱片,利用數值法求解三維穩(wěn)態(tài)導熱微分方程,利用計算機專用軟件計算得到不同LED芯片分布時,散熱片芯片表面的溫度分布,根據其溫度場來分析LED芯片分布對其散熱的影響。
Abstract:
Key words :

  本文針對65×65mm一面設有九顆1×1mm、1W的LED芯片,另一面為肋片的鋁制散熱" title="散熱">散熱片,利用數值法求解三維穩(wěn)態(tài)導熱微分方程,利用計算機專用軟件計算得到不同LED芯片分布時,散熱片芯片表面的溫度分布,根據其溫度場來分析LED芯片分布對其散熱的影響。結果是:九顆芯片集中在一起散熱效果最差,芯片之間的距離應達到5mm以上,其芯片溫度可降低近5℃以上。

      引言

  LED照明,由于節(jié)能顯著,被認為是下一代照明技術。LED是冷光源,其光譜中不包含紅外部分,而目前LED發(fā)光效率" title="發(fā)光效率">發(fā)光效率僅達到20%,也就是說有80%以上的電能轉換成熱能。如果熱量不能有效散出,芯片的溫度上升,會導致光效下降,光衰加劇,嚴重時燒毀芯片,LED芯片散熱是當前LED照明發(fā)展中的一大未解決的問題。LED芯片的散熱過程并不復雜,只是一系列導熱過程再加對流換熱過程,溫度范圍不高,屬于常溫傳熱,其內的導熱過程,完全可以運用計算機專用軟件求解三維導熱微分方程,計算分析出LED芯片中、散熱片內的導熱過程,以及散熱片外表的對流換熱,分析出整個傳熱過程中主要的熱阻在何處,什么原因造成的,可以得到一非常清晰的解,使人們有的放矢。但當前LED散熱以及同類的半導體芯片散熱,都缺少這一基礎性和指導性的研究,即使有人做了,但不為眾人所知。由此造成當今LED散熱技術就像春秋戰(zhàn)國時代樣,出現采用熱管,甚至提出采用回路熱管。本文僅從LED芯片分布不同,來研究分析其對散熱的影響,將對LED芯片中的設計和制造起著指導性意義。

  1、計算模擬的模型

圖1

  如圖1所示,鋁制散熱片的一側面設有9顆1×1mm,1w的芯片,還有0.1mm厚導熱系數取4w/(m·k)的絕緣導熱層,肋片的總面積為 m2,空氣對流換熱系數為 =6 w/(m2·k),鋁的導熱系數取202 w/(m ·k)。為簡化計算,不考慮肋片內的導熱問題,由肋片散熱面簡化折算成65×65mm,對流換熱系數為 85 w/(m2·k)的對流換熱面。也就是求解一側面為對流換熱面( =85w/(m2·k)),另一側為9顆芯片(1×1mm,1w)的鋁塊(65×65×3mm)在芯片間距不同時其內部的溫度場。

  本文針對65×65mm一面設有九顆1×1mm、1W的LED芯片,另一面為肋片的鋁制散熱片,利用數值法求解三維穩(wěn)態(tài)導熱微分方程,利用計算機專用軟件計算得到不同LED芯片分布時,散熱片芯片表面的溫度分布,根據其溫度場來分析LED芯片分布對其散熱的影響。結果是:九顆芯片集中在一起散熱效果最差,芯片之間的距離應達到5mm以上,其芯片溫度可降低近5℃以上。

      引言

  LED照明,由于節(jié)能顯著,被認為是下一代照明技術。LED是冷光源,其光譜中不包含紅外部分,而目前LED發(fā)光效率僅達到20%,也就是說有80%以上的電能轉換成熱能。如果熱量不能有效散出,芯片的溫度上升,會導致光效下降,光衰加劇,嚴重時燒毀芯片,LED芯片散熱是當前LED照明發(fā)展中的一大未解決的問題。LED芯片的散熱過程并不復雜,只是一系列導熱過程再加對流換熱過程,溫度范圍不高,屬于常溫傳熱,其內的導熱過程,完全可以運用計算機專用軟件求解三維導熱微分方程,計算分析出LED芯片中、散熱片內的導熱過程,以及散熱片外表的對流換熱,分析出整個傳熱過程中主要的熱阻在何處,什么原因造成的,可以得到一非常清晰的解,使人們有的放矢。但當前LED散熱以及同類的半導體芯片散熱,都缺少這一基礎性和指導性的研究,即使有人做了,但不為眾人所知。由此造成當今LED散熱技術就像春秋戰(zhàn)國時代樣,出現采用熱管,甚至提出采用回路熱管。本文僅從LED芯片分布不同,來研究分析其對散熱的影響,將對LED芯片中的設計和制造起著指導性意義。

  1、計算模擬的模型

圖1

  如圖1所示,鋁制散熱片的一側面設有9顆1×1mm,1w的芯片,還有0.1mm厚導熱系數取4w/(m·k)的絕緣導熱層,肋片的總面積為 m2,空氣對流換熱系數為 =6 w/(m2·k),鋁的導熱系數取202 w/(m ·k)。為簡化計算,不考慮肋片內的導熱問題,由肋片散熱面簡化折算成65×65mm,對流換熱系數為 85 w/(m2·k)的對流換熱面。也就是求解一側面為對流換熱面( =85w/(m2·k)),另一側為9顆芯片(1×1mm,1w)的鋁塊(65×65×3mm)在芯片間距不同時其內部的溫度場。


      
      求解方程:

      即為三維穩(wěn)態(tài)導熱微分方程,通常稱為拉普拉斯方程式。利用專用的計算軟件求解。

  2、計算結果

  圖2為:不同芯片間距,LED芯片所處的散熱片金屬表面,過中心點的溫度分布。

  芯片間距L取1mm、2.5mm、5mm、7.5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm。
     
  當L=1mm時,即9顆LED芯片集中在一起,之間沒間隙。
      
   表1列不同芯片間距,LED芯片所處散熱片金屬表面中心點(也即溫度最高點)的溫度值及其差別。以上計算中環(huán)境溫度取40℃(313K)。

(點擊圖片查看高清原圖)

  3、分析

  從圖2和表1中可清楚地看:當把9顆LED芯片集中在一起(芯片間距L=1mm)時,中心點(芯片所處的溫度最高點)溫度最高,也就是散熱效果最差。當芯片間距增加1.5mm(L=2.5mm)時,最高點溫度就下降3.1℃,芯片間距增加4mm(L=5mm)時,最高點溫度下降4.8℃。當芯片間距為L=7.5mm時,最高點溫度下降5.6℃。當芯片間距L=10mm時,溫度下降6.1℃。當芯片間距L=20mm時,溫度下降7.2℃。在間距L=10mm內溫度降低顯著。

  4、結果

  (1)LED芯片分布對散熱有很大影響,應該將LED芯片分散開。

 ?。?)對于1×1mm,1w的LED芯片,芯片間距取5~10mm為佳。

  作者:秦 彪

  參考文獻

  [1] 楊世銘.傳熱學.西安交通大學,人民教育出版社,1980:36-163

  [2] 俞左平.傳熱學.山東工學院,人民教育出版社,1979:1-169

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