摘要：为解决制约大功率 LED发展的散热问题，针对一款大功率 LED灯具进行了热仿真分析 ，结果显示芯片结温高达 76．23 ，而 实际允许的最大结温为 80 。为改善散热效果 ，提出了如下改进思路 ：首先对散热片 尺寸进行优化设计 ，并研究了界面材料时 LED结 温的影响 ，然后在散热 片上加装了热管 、风扇以及均温板等装置 。研究结果显示 ，通过采用适 当的改进方 案能够有效降低灯具结温。

关键词 ：大功率 LED灯 ；ICEPAK；热 分析

O 引 言

LED是一种直接把 电转化成光的固态半导体器 件 。它作为新型光源，很大程度上改善 了传统灯具的 缺点和不足 ，但仍然存在制约其发展的难点问题 ，其 中散热是根本性的问题 。对于大功率 LED灯 ，即功率 大于 1 W 的 LED，芯片能量利用率还 比较低 ，目前 的 电光转换效 率约为 20％，其余 均转化为热能 ，而芯片 尺寸仅为 ixl mlT12~2．5x2．5 mm。，导致芯片的功率密度 很大(达 l W／mm 量级 )，属于高热流密度器件 。但是 LED器件的散热性 比较差，首先因为白光 LED的发光 光谱 中不包 含红外部分 ，即其热量不 能依靠辐射释 放 ；其次 ，LED灯具的扩散热阻及接触热阻都很大 。而 散热性差会导致很严重 的后果 ，如减少 LED的光输 出、缩短器件的寿命 、偏移 LED所发光的主波长等…。因此如何提高 LED灯具散热能力是大功率 LED灯具 实现产业化亟待解决的关键技术之一。

LED的热管理主要包括 3个方面 ：芯片级 、封装 级和系统集成散热级 ]。其 中，芯片是主要的发热部 件 ，其量子效率决定发热效率 ，衬底材料决 定芯片向 外传热效率 ；对封装而言 ，封装结构 、材料以及 丁艺直 接影响散热效率 ；系统集成散热级也就是所谓 的外部 散热器 ，主要包括散热片 、热管 、风扇 、均温板等 。近 年来 ，LED散热问题逐渐被 国内外学术界关注 ，相应 地开展了各种研究 ，然而由于 LED灯具散热多为经验 化设计 ，散热系统专业性 比较差 ，以至于 目前 LED灯 具的散热问题仍然很严重。因而，对大功率 LED灯具 进行热分析和热设计具有重要的现实意义。

在众多解决热 问题 的方法中，运用热分析软件对 传热体进行实体建模与仿真分析是解决器件散热问题 的最有效方法之一 ，当前用于热分析的软件 主要 有 ICEPAK、ANSYS、EFD及 FLOTHERM等 [5 3。其 中 ， ICEPAK软件 以操作简单 、能够处理复杂 曲面 、自动计 算流态 、可以处理复杂网格 、计算速度快 、精度高等优 点而备受青睐。

本研究选用 ICEPAK软件对所选定灯具先建模 ， 后仿真计算 ，求得温度分 布 ，最后在实体模 型的基础 上对散热片进行优化 ，并尝试其他 的散热技术及散热 材料 ，对比提出更好 的散热方案 。

1 灯具散热分 析

本研究选用浙江某 LED公司研制的一款大功率 LED隧道灯作为研究模型 ，如 图 1所示 ，该灯具 由 LED灯珠 、灯盖 、皮垫 、反光镜 、电路板 、散热 片及电源 等组成 。其 中 ，灯珠如图 2所示 ，属 于集成式封装结 构。每个灯珠封装 9个芯片 ，三串三并连接起来 ，封装 步骤 为 ：首先用银胶将 芯片固定在铜底 座上 ，用金线 连接 电极 ，然后将荧光粉和硅胶按一定 比例配制并涂 覆在芯片的表面上 ，最后注人封装胶并加装透镜 。

由灯具结构可分析该灯具的散热途径为：

(1)芯片—荧光粉层一硅胶一透镜一外部空气 ；

(2)芯片一金线一支架一线路板一散热片一外部 空气 ；

(3)芯片—银胶—铜底座一导热硅胶一散热片一 外部空气。

由于封装用的环氧树脂热导率只有 0．2 w，(m·k)， 几乎为绝热的 ，途径(1)的散热可以忽略不计。另外金 线的面积很小 ，其传热效果微乎其微 ，途径(2)的散热 作用也不考虑。所以主要 的散热途径为(3)，即芯片发 出的热量经 由银胶 、铜底座 、导热硅胶 ，再传导到散热 片上 ，再 以对流散热方式将热量散发到空气中。

在灯具的散热途径确定后 ，本研究运用 ICEPAK 软件对该灯具进行热仿真分析 ，分析步骤 为 ：建立简 化模型、设置边界条件 、划分 网格并计算 。

本研究首先依据上述分析的主要散热途径来对模 型进行简化 ：将 LED灯珠透镜简化为长方体以减小计 算量 ；将芯片与热沉间的银胶简化为 0．1 mm的薄板 ； 灯珠与散热片之间的导热硅胶简化为 O．3 mm的薄板。

然后根据灯具 的运用场合和实际工作情况来确 定边界条件如下 ：

(1)每个芯片功率 为 1．5 w，发光效率为 20％，所 以每个芯片发热功率为 1_2 w，即将每个 source的 total heat定义为 1．2W。

(2)该灯具为隧道灯，且最高温度不会超过 100℃， 故不考虑太阳辐射。

(3)在实际使用过程中 ，该灯具直接安装在外界 空气 中，属 于 自然对流情况 ，故定义箱体 6个 面均 为 opening，并假设环境温度为 25℃。

本研究参考实验结果及相关材料手册 ，确定各材 料特性如表 l所示。

最后对该灯具划分 网格并进行稳态计算后得 到 整体温度分布结果如图 3所示 。

图 3表明灯具最高温度集 中在芯片处 ，且最高温 度高达 76．23 qC，考虑一定的误差 ，极有可能超过最大 允许结温 80℃，可见 ，该 LED灯具 目前的散热情况非 常差 ，有必要对 目前散热系统进行改善。

2 散 热结构改 进设 计

传统散热技术分为主动式散热和被动式散热 ，散 热片属于被动式散热 ，即依靠空气 自然对流散发热 量 ，而主动式散热包括热管 、热 电制冷技术 、纳米传热 技术 、微喷散热技术 、微通道散热技术 、风扇 、均温板 、 冷板等I6]。对灯具散热结构进行改进的思路为 ：首先对 散热片的尺寸进行优化选择 ，然后研究了界面材料对 散热过程 的影 响 ，并设计了其 他 3种方 案 ：在散热 片 上加装热管 、加装风扇 、将散热片改用均温板材质 。本 研究对 以上这些方案的仿真结果进行对 比与分析后 ， 提出了可行的建议。

2．1 散热片优化方案

目前 ，大功率 LE D灯使用最多的散热技术是散热 片 ，散热片是利用较大 的散热面积来对流散热。对于 散热片而言 ，形状 、加工工艺 、尺寸及材料是决定散热 性能的几个重要 因素[7]。下面主要对散热片的尺寸进 邀行优化 。

散热片主要尺寸包括翅片厚度 A、翅片间距 B、翅 片高度 日及散热片底板厚度 C，如图 4所示。本例中 4=2 mm ，B=6 mm ，H=40 mm ，C=4 mm。

本研究运用 ICEPAK参数化设计功 能来对 该隧 道灯的散热片进行尺寸优化 ，优化流程如下 ：

(1)首 先 当 H=40，C=4时 ，分 别取 A为 1．5，2， 2．5，3，B为 4．5，5，5．5，6，对 A、B进行组合 以得到 l6 组值 ，仿真计算后得到 l6种情况下的结温 ，并将同一 A值下结温与 B值的关系绘制成曲线 ，如图 5所示。

由图 5可以看出，对于同一个 值 ，4条曲线有类 似的变化趋势 ，都是随着翅片间距 的增大结温先 降低 后升高 ，另外从图中还可以看 出，当 A=2，B=6时结温 最低 。

(2)当 A=2，B=6，H=40的情况下 ，取 C为 3，4，5， 6，7，8，9，得到 C值与结温的关系 ，绘制成 曲线 ，如图 6 所 示 。

从图 6可以看 出，随着基板厚度 的升高 ，结温先 快速降低 ，随之变得平缓甚 至有略微的升高 ，且在 c 为 6时，取得结温的最小值。

(3)当A=2，B=6，C=6的情况下 ，分别取 值为 30，40，50，60，70，80，90，得到 值 与结温 的变化关 系，如图 7所示。

从 图 7可 以看 出，随着翅片高度的增大 ，结温先 大幅降低随后变得缓慢 ，可见适 当升高翅片高度对于 结温的降低作用很大 ，另外当 H=60时为翅片高度 和 结温的最佳值。

则当 A=2、B=6、C=6、H=60时散热片的散 热效率 为最佳 ，此时结温为 70．97 cc，比优化之前大约降低了 5．35℃，可见 ，对散热片进行优化的效果很 明显 。

2.2 加装热管方案

热管是一种优 良的导热元 件 ，外部为铜壁 ，内部 有吸液芯和冷凝 液 ，通 过液气两 相的循 环变化 ，将 LED发 出的热量导出并散发掉。热管在 LED上的应用 有多种形式 ，可 以将 LED芯片直接安装在热管吸热端 的顶部 ，也可将其加工成平板式 、回路式。热管的特点 是能够将热量传输 到较远 的 、容 易散热 的位置 ，在实 际应用中方便 、灵活 。

下面设计了散热片加装热管的散热方案 ，加装热 管后结构如图 8所示 ，本研究将 2 mm平板式热管蒸 发端穿过芯片底部的热沉 ，并以工字型弯折 ，冷端垂 直穿插在翅片中，每个芯片底部加装 1根热管。设置 热管的轴向热导率 30 000 W／(m·k)，另外两个方向为 450 W／(m·k)

仿 真结 果显 示 ，加装 热管 后 芯 片结 温 降低 了 2．24℃，可见，加装热管有利于结温 的降低 ，在 以后的 研究工作 中还可 以尝试改变热管安装位置或者尺寸来得到更好的散热效果。

2．3 界面材料优化方案

热阻是反映阻止热量传递能力的综合参量，等于 热流通道上的温度差与耗散功率之 比，单位为 K／W。当 热量在物体 内部 以热传导 的方式传递时 ，遇到的热阻 称为导热热阻；当热量流过两个接触固体的交界面时 ， 由于缝隙产生 的热阻为接触 热阻[9]，在灯具 的制造过 程中，导热硅胶或银胶等界面材料就是用来降低接触 热阻的，但是这些界面材料本身的导热率不高 ，造成了 热传导过程中的瓶颈。针对这一热现象 ，本研究对芯片 与铜底座之间的界面材料进行研究 ，选择 了几种不 同 导热率的界面材料来模拟热分布 ，其结果如表 2所示 。

由表 2数据可知 ，界面材料导热率稍微增大 ，结 温将会大幅降低 ，所 以提高界面材料导热率对 LED散 热有着非常大的作用 ，应把更多的精力放在设计 和选 用更好 的界面材料上 ，从而降低界面材料这一导热瓶 颈的影响。

2．4 加装风扇方案

风扇属于风冷强制散热 ，可 以较 大程度地提 高散 热片散热效果 …。加装风扇方案为 ：在翅片垂直 的端 面上分别加装类型为 intake的轴流风扇 ，分析结果显 示 ：加装质量流量 为 0．01 kg／s风扇后 ，芯片最高温度 降低 了 9．76 ；加装 0．02 kg／s风扇后 ，降低了 16．O1 ℃，可见风扇对于 LED散热具有明显的效果 。

从上述数据可 以看出，在增强热传导 的同时更应 该更加注重热对流的影响。但是加装风扇还存在两个 问题：①如何确保风扇寿命和 LED寿命匹配的问题， 一 般风扇寿命多为几千小时 ，而 LED寿命可长达 5万 小时 ；②加装风扇会使灯具显得笨重 。如果能够有效 地解决上述问题 ，将风扇很好地运用在 LED灯具上 ， 也不失为一种很好 的选择 。

2．5 均温板设计方案

均温板的原理与热管相似 ，但是热管 的传热是一 维单 向的 ，而均温板是二维 的面传热方式。均温板可 以使热量分散 ，减小扩散热阻 。该方案是将散热片用 均温板材料来制造 ，仿真结果显示 ，均温板 的散热效果比较明显 ，结温降为 71．09℃，降低了 5．15℃，另外 ， 散热片在平 面方 向上 的温度非常均匀 ，可见均温板也 是一种好的选择。

3 结 束 语

本研究针对一款大功率 LED隧道灯进行 了热分 析与改进设计 ，并应 用 ICEPAK软件对改进前后 的 LED灯具进行 温度仿真分析 ，结果显示 ，要增强 LE D 灯具的散热性能可以采取下面 3种方式 ：①加装风扇 或者其他方式来增强强制对流作用；②采用均温板材 料或者热管技术 ；③提高界面材料热导率或者选用其 他导热率高的界面材料 。另外 ，从新材料和新工艺等 方面进行热设计也是 目前的热 门趋势 ，新材料如陶瓷 基板等 ，新工艺如将芯片直接封装 在特别设计 的散热 器上等 ，对此进行具体研究具有深远 的意义。