照明用大功率led阵列散热设计与仿真分析 学士学位论文.docx

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照明用大功率led阵列散热设计与仿真分析学士学位论文

毕业设计

照明用大功率LED阵列散热设计与仿真分析

院（系）名称工程系统工程系

专业名称飞行器设计（可靠性）

学生姓名

指导教师

2008年6月

本科生毕业设计（论文）任务书

Ⅰ、毕业设计（论文）题目：

照明用大功率LED阵列散热设计与仿真分析

Ⅱ、毕业设计（论文）使用的原始资料（数据）及设计技术要求：

原始资料包括：

ICEPAK4.1使用说明；LED照明阵列。

设计技术要求：

在研究大功率LED封装的热特性的基础上，设计LED照明阵列的散热器，对LED照明阵列建立等效热阻网络模型，软件仿真和试验验证来说明散热器能够满足LED照明阵列的散热要求。

Ⅲ、毕业设计（论文）工作内容：

1）LED封装的热特性研究；

2）建立LED照明灯具散热系统等效热阻网络模型；

3）LED照明阵列的软件仿真分析；

4）试验验证

Ⅳ、主要参考资料：

《传热学》.高等教育出版社.2004年5月.杨世铭，陶文铨编著．

《电子制造技术基础》.机械工业出版社.2005年5月.吴懿平，丁汉编著．

工程系统工程系学院（系）飞行器设计（可靠性）专业类341401班

学生王传亮

毕业设计（论文）时间：

2008年2月18日至2008年6月14日

答辩时间：

2008年6月18日

成绩：

指导教师：

兼职教师或答疑教师（并指出所负责部分）：

系（教研室）主任（签字）：

注：

任务书应该附在已完成的毕业设计（论文）的首页。

学位论文的声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。

尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得北京航空航天大学或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。

若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。

作者：

王传亮

签字：

时间：

2008年6月

照明用大功率LED阵列散热设计与仿真分析

学生：

王传亮

指导教师：

高成

摘要

白光LED灯具具有寿命长、耗电小、发光效率高等优点，是被寄予厚望的半导体光源，在光效、寿命以及环保等方面具有以往光源所无法比拟的优势。

大功率白光LED由于散热问题以及价格高等技术性问题，在民用照明领域还没有全面普及。

本文针对某大功率LED照明阵列，研究国内外LED封装和散热技术的发展现状和发展趋势、常用的散热器类型与选择方法、影响散热器散热效果的因素的基础上，为LED照明阵列设计了铝制肋片式散热器，为验证设计的散热器能够满足LED照明灯具的散热要求，需要验证LED的结温低于设计目标125oC。

验证LED的结温，论文对LED照明阵列建立等效热阻网络模型，分析得到的壳温与结温的关系，然后利用ICEPAK软件对LED照明灯具进行热分析，得到壳温，再由壳温计算获得结温，最后用试验来验证仿真结果的正确性。

通过建模仿真分析并经过试验验证获得LED的最高壳温为79.6oC，计算得到LED的结温为80.4oC，表明对于大功率LED器件，在背板加装肋片散热器可以有效提高大功率LED器件的散热性能，同时铝材料相对价格较低可以降低LED照明灯具的生产成本，提高产品的市场竞争力。

关键词:

白光LED，封装，散热器，仿真

Lightingbyhigh-powerLEDarraythermaldesignand

simulationanalysis

Author:

WangChuanliang

Tutor:

GaoCheng

Abstract

WhiteLEDlightshavelonglife,smallpowerconsumption,higherluminousefficiencyadvantagesarehighhopesforsemiconductorlightsource,inthelightefficiency,lifeandenvironmentalprotection,andwiththepastbytheincomparablelightoftheadvantages.High-powerwhiteLEDduetoheatandhighpricesoftechnicalproblems,incivilianareasoflightinghasnotbeenuniversalcoverage.

Inthispaper,ahigh-powerLEDlightingarraytostudyathomeandabroadLEDpackageandcoolingtechnologydevelopmentstatusanddevelopmenttrendofthetypecommonlyusedradiatorandtheselectionmethod,theimpactoftheradiatorcoolingeffectonthebasisoffactors,LEDlightingarraydesignforthealuminumfin-radiators,radiatorinordertoverifythedesignofLEDlightingtomeetthecoolingrequirements,theneedtoverifytheLEDjunctiontemperaturebelowthedesigngoalof125oC.LEDverifythejunctiontemperature,LEDlightingarrayofpaperstoestablishtheequivalentresistancenetworkmodel,theanalysisoftheshellLEDjunctiontemperatureandthetemperature,andthenusingsoftwaretoICEPAKLEDlightingthermalanalysisconductedbyShelltemperature,andthenfromShell-calculatedjunctiontemperature,withthefinaltesttoverifytheaccuracyofthesimulationresults.

ModelingandsimulationanalysisLEDthemaximumtemperaturefortheshell79.6oC,calculatedbytheLEDjunctiontemperaturefor80.4oC.Thatthehigh-powerLEDdevices,intheinstallationofbackfinradiatorcaneffectivelyimprovethedevice'shigh-powerLEDcoolingperformance,whilealuminiumpricesrelativelylowLEDlightingcanreducetheproductioncosts,improvingproductmarketcompetitionForce.

KeyWords:

WhiteLED，Packaging，Radiator，simulation

1绪论

1.1课题的来源和意义

1.1.1课题的来源

目前在照明领域正酝酿着一场变革，大功率LED在照明领域逐渐取代传统光源，大功率白光LED以其体积小巧、高亮度、寿命长、工作电压低、使用安全等众多优点冲击着传统光源的市场地位。

然而，大功率LED在散热和价格等方面的技术难题没有很好的解决，严重制约着大功率白光LED在民用照明领域的发展。

某公司设计的一个18W的大功率白光LED灯具为本论文的研究对象，本论文针对该灯具在研究大功率LED封装热特性基础上对LED照明阵列进行散热器的设计，并对LED照明阵列建立等效热阻网络模型和软件仿真分析，最后对LED照明灯具进行热试验，来验证仿真结果的正确性。

1.1.2课题的意义

近年来，大功率白光LED以其体积小巧、高亮度、寿命长、工作电压低、使用安全、响应速度快、耐冲击防震动、无紫外线和红外线辐射等诸多优点，应用范围在逐渐的扩大，在城市景观、LCD背光板、交通标志、汽车尾灯照明和广告招牌等方面有着广泛的应用，具有良好的应用前景。

但由于成本和技术等各方面原因，在普通照明领域的应用一直发展缓慢。

大功率LED芯片的有源区面积小、工作电流大，输入功率中又只有少部分能量转化为光能，其余的则转化为热能造成其结温升高。

结温是衡量大功率LED封装散热性能的一个重要技术指标：

结温升高，会直接减少芯片射出的光子数量，使发光效率降低；结温的升高还会使芯片的发射光谱发生红移，色温质量下降，尤其是对基于蓝光LED激发黄色荧光粉的白光LED器件更为严重，其中荧光粉的转换效率也会随着温度升高而降低。

同时由于温度升高而产生的各种热效应也会严重影响到LED器件的使用寿命和可靠性，当温度超过一定值时，器件失效率呈指数规律变化。

因此，对大功率LED进行散热研究具有重要的理论意义和工程实用价值。

1.2国外内LED封装的研究现状及发展趋势

1.2.1国外功率型LED封装技术发展现状

（1）普通功率LED

根据报导，最早是由HP公司于1993年推出“食人鱼”封装结构的LED[1]，称“SuperfluxLED”，并于1994年推出改进型的“SnapLED”。

它们典型的工作电流，分别为70mA和150mA，输入功率分别为0.1W和0.3W。

Osram公司推出“PowerTOPLED”是采用金属框架的PLCC封装结构。

之后其他一些公司推出多种功率LED的封装结构。

其中一种PLCC-4结构封装形式，其功率约200-300mW，这些结构的热阻一般为75-125oC/W。

总之，这些结构的功率LED比原支架式封装的LED输入功率提高几倍，热阻下降为原来的几分之一。

（2）W级功率LED

W级功率LED是未来照明的核心部分，所以世界各大公司投入很大力量，对W级功率封装技术进行研究开发，并均已将所得的新结构、新技术等申请各种专利。

单芯片W级功率LED最早是由Lumileds公司于1998年推出的LuxeonLED，根据报导，该封装结构的特点是采用热电分离的形式，将倒装芯片用硅载体直接焊接在热沉上，并采用反射杯、光学透镜和柔性透明胶等新结构和新材料，提高了器件的取光效率并改善了散热特性。

可在较大的电流密度下稳定可靠的工作，并具有比普通LED低得多的热阻，一般为14-17oC/W，现有1W、3W和5W的产品。

该公司近期还报导，推出LuxeonIIILED产品，由于对封装和芯片进行改善，可在更高的驱动电流下工作，在700mA电流工作50000小时后仍能保持70%的流明，在1A电流工作20000小时能保持50%的流明。

1.2.2国内功率型LED封装技术发展现状

国内LED普通产品的后工序封装能力应该是很强的，封装产品的品种较齐全，据初步估计，全国LED封装厂超过200家，封装能力超过200亿只/年，封装的配套能力也是很强的，但是很多封装厂为私营企业，目前来看规模偏小。

[2]

早在上世纪九十年代国内就开展功率型LED封装的研究工作，一些有实力的封装企业，当时就开始开发并批量生产，如“食人鱼”功率型LED。

国内有很多的大学、研究所对大功率LED封装技术开展了研究，其中信息产业部第13研究所对功率型LED封装技术开展研究工作，并取得很好的研究成果，开发出具体的功率LED产品。

国内有实力的LED封装企业（外商投资除外），如佛山国星、厦门华联等几个企业，很早就开展功率型LED的研发工作，并取得较好的效果。

如“食人鱼”和PLCC封装结构的产品，均可批量生产，并已研制出单芯片1W级的大功率LED封装的样品。

而且还进行多芯片或多器件组合的大功率LED研制开发，并可提供部分样品供试用。

对大功率LED封装技术的研究开发，目前国家尚未正式支持投入，国内研究单位很少介入，封装企业投入研发的力度（人力和财力）还很不够，形成国内对封装技术的开发力量薄弱的局面，其封装的技术水平与国外相比还有相当的差距。

1.2.3LED封装技术发展趋势

1）采用大面积芯片封装

　　用1x1mm2的大尺寸芯片取代现有的0.3x0.3mm2的小芯片封装，在芯片注入电流密度不能大幅度提高的情况下，是一种主要的技术发展趋势[3]。

2）芯片倒装技术

　　解决电极挡光和蓝宝石不良散热问题，从蓝宝石衬底面出光。

在p电极上做上厚层的银反射器，然后通过电极凸点与基座上的凸点键合。

基座用散热良好的Si材料制得，并在上面做好防静电电路。

根据美国Lumileds公司的结果，芯片倒装约增加出光效率1.6倍。

芯片散热能力也得到大幅改善，采用倒装技术后的大功率发光二极管的热阻可低到12～15oC/W。

3）金属键合技术

　　这是一种廉价而有效的制作功率LED的方式。

主要是采用金属与金属或者金属与硅片的键合技术，采用导热良好的硅片取代原有的GaAs或蓝宝石衬底，金属键合型LED具有较强的热耗散能力。

4）开发大功率紫外光LED

　　UVLED配上三色荧光粉提供了另一个方向，白光色温稳定性较好，使其在许多高品质需求的应用场合（如节能台灯）中得到应用。

这样的技术虽然有种种的优点，但仍有相当的技术难度，这些困难包括配合荧光粉紫外光波长的选择、UVLED制作的难度及抗UV封装材料的开发等等。

5）开发新的荧光粉和涂敷工艺

　　荧光粉质量和涂敷工艺是确保白光LED质量的关键。

荧光粉的技术发展趋势是开发纳米晶体荧光粉、表面包覆荧光粉技术，在涂布工艺方面发展荧光粉均匀的荧光板技术，将荧光粉与封装材料混合技术。

6）开发新的封装材料

　　开发新的安装在LED芯片的底板上的高导热率的材料，从而使LED芯片的工作电流密度约提高5～10倍。

就目前的趋势看来，金属基座材料的选择主要是以高热传导系数的材料为组成，如铝、铜甚至陶瓷材料等，但这些材料与芯片间的热膨胀系数差异甚大，若将其直接接触很可能因为在温度升高时材料间产生的应力而造成可靠性的问题，所以一般都会在材料间加上兼具传导系数及膨胀系数的中间材料作为间隔。

7）多芯片型RGBLED

　　将发出红、蓝、绿三种颜色的芯片，直接封装在一起配成白光的方式，可制成白光发光二极管。

其优点是不需经过荧光粉的转换，藉由三色晶粒直接配成白光，除了可避免因为荧光粉转换的损失而得到较佳的发光效率外，更可以藉由分开控制三色发光二极管的光强度，达成全彩的变色效果（可变色温），并可藉由芯片波长及强度的选择得到较佳的演色性。

利用多芯片RGBLED封装型式的发光二极管，很有机会成为取代目前使用CCFL的LCD背光模块中背光源的主要光源之一。

8）多芯片集成封装

　　目前大尺寸芯片封装还存在发光的均匀和散热等问题亟待解决。

采用常规芯片进行高密度组合封装的功率型LED可以获得较高发光通量，是一种切实可行很有推广前景的功率型LED固体光源。

小芯片工艺相对成熟，各种高热导绝缘夹层的铝基板便于芯片集成和散热。

9）平面模块化封装

　　平面模块化封装是另一个发展方向，这种封装的好处是由模块组成光源，其形状，大小具有很大的灵活性，非常适合于室内光源设计，芯片之间的级联和通断保护是一个难点。

大尺寸芯片集成是获得更大功率LED的可行途径，倒装芯片结构的集成，优点或许更多一些。

1.3主要的研究内容和实施方案

1.3.1研究内容

论文研究的主要内容

1）LED封装的热特性研究

研究大功率LED封装的结构和内部热沉对LED散热性能的影响，对目前流行的封装技术和散热方法进行综合研究分析。

2）建立LED照明阵列的等效热阻网络模型

仅靠改进LED的封装结构和材料的选择并不能满足大功率LED的散热需要，LED的封装结构确定后还应在LED外部加装散热器。

在对大功率LED封装热特性研究的基础上，对LED照明阵列建立等效热阻网络模型，分析得出LED的壳温与结温之间的关系。

3）LED照明阵列散热器的设计与仿真：

在对封装热特性和热阻网络研究的基础上，对某LED照明阵列设计相应的散热器，并对LED照明阵列进行建模和仿真分析，计算得到LED的结温，与设计目标相比较，评估散热器的散热性能。

4）试验验证：

为验证ICEPAK软件对大功率LED阵列进行仿真分析结果的正确性，对LED照明灯具进行热试验。

1.3.2实施方案

在研究大功率LED封装的热特性的基础上，为其设计散热器，并对LED照明阵列建立等效热阻网络模型，分析得出LED阵列的结温与壳温之间的关系，然后利用ICEPAK软件对大功率LED阵列进行仿真分析，可以获得LED芯片的壳温，通过计算得到LED的结温，最后通过试验来验证仿真结果的正确性。

具体方案如下：

1）LED的散热性能研究：

查找有关大功率LED散热器散热方面的论文和书籍，研究LED封装结构、内部热沉对LED散热性能的影响，并对目前国际上流行的封装技术进行综合研究分析。

2）等效热阻模型的建立：

由于对流换热和辐射换热起的作用较小，忽略对流换热和辐射换热的影响，只考虑主要热通道的热传导。

硅橡胶/环氧树脂、荧光粉和塑料外壳封装的热导率极低，为计算方便，只考虑热量从芯片到芯片热沉底部的热传导的路径，建立LED照明阵列的简化等效热阻网络，计算获得LED的壳温与结温之间的关系。

3）温度场的仿真分析：

采用ICEPAK软件对LED照明阵列进行热分析，利用ICEPAK软件建立LED灯具的模型，模型主要由热源、金属线路板、高导热银胶和散热器四个部分组成。

模型中把每只功率LED考虑成一个热源，通过建模计算，得到了LED照明阵列金属线路板、背板和热源温度场分布，进而获得LED的壳温，再由LED壳温计算得到结温。

4）试验与验证：

将上述大功率LED照明阵列，放入温度试验箱，将试验箱的温度设定为40度，连续工作1000小时，采用接触式热测量系统，测量LED照明阵列金属线路板、背板和热源的温度，与仿真结果作对比，来评估仿真结果的正确性。

2大功率器件的散热方法及设计要点

2.1引言

随着电子器件的高频、高速以及集成电路技术的迅速发展，电子元器件的总功率密度大幅度增长而物理尺寸却越来越小，热流密度也随之增加，所以高温的温度环境势必会影响电子元器件的性能，这就要求对其进行更加高效的热控制，这些电路的散热问题变得日益突出。

因此，选择良好的散热方法和散热器类型是这些电子元器件发挥良好性能的有力保障。

2.2常用的散热方法

电子元器件的高效散热问题与传热学、流体力学等原理的应用密切相关。

电子器件散热的目的是对电子设备的运行温度进行控制，以保证其工作的稳定性和可靠性。

这其中涉及了与传热有关的散热、材料等多方面内容。

从应用的角度看，常用的散热方法主要有:

自然散热、强制散热、液体冷却。

[4]

2.2.1自然对流散热方法

自然对流散热方法是指不使用任何外部辅助能量的情况下，实现局部发热器件向周围环境散热达到温度控制的目的，这其中通常都包含了导热、对流和辐射三种主要传热方式，其中对流以自然对流方式为主。

自然散热或冷却往往适用对温度控制要求不高、器件发热的热流密度不大的低功耗器件和部件，以及密封或密集组装的器件不宜（或不需要）采用其它冷却技术的情况下。

有时，在对散热能力要求不高时也常常利用电子器件自身特点增强与邻近热沉的导热或辐射、通过结构设计强化自然对流，在一定程度上提高系统向环境散热能力。

2.2.2强制对流散热方法

强制对流散热方法主要是借助于风扇等强迫器件周边空气流动，从而将器件散发出的热量带走的一种方法。

这种方法是一种操作简便、收效明显的散热方法。

如果部件内元器件之间的空间适合空气流动或适于安装局部散热器，就可尽量使用这种冷却方法。

提高这种强迫对流传热能力的方法主要有:

增大散热面积（散热片）和在散热表面产生比较大的强迫对流传热系数（紊流器、喷射冲击、静电作用）。

增大散热器表面的散热面积来增强电子元器件的散热，在实际工程中得到了非常广泛的应用。

工程中主要是采用肋片（又称翅片）来扩展散热器表面的散热面积以达到强化传热的目的。

肋片式散热器又称气冷式冷板，如:

型材、叉指、针状等各种型式，长期、广泛地作为热耗电子器件的延伸表面与所处环境（主要是空气）的换热器件。

如，普通台式电脑芯片上肋片散热器和风扇等。

2.2.3液体冷却方法

对电子元器件采用液体冷却的方法进行散热，主要是针对芯片或芯片组件提出的概念。

液体冷却包括直接冷却和间接冷却。

间接液体冷却法就是液体冷却剂不与电子元件直接接触，而热量经中间媒介或系统从发热元件传递给液体。

直接液体冷却法（又称浸入冷却）是指液体与电子元件直接接触，由冷却剂吸热并将热量带走，它适用于热耗体积密度很高或那些必须在高温环境下工作且器件与被冷却表面之间的温度梯度又很小的部件以及高度封装或大功率电子器件的2-D或3-D封装。

液体冷却的特点是:

使用电介质冷却液作为工作介质；通过控制液滴直径和频率来控制冷却功率；内部可以集成控制的软件，可以被用来冷却芯片。

2.3散热方法的选择

散热方法是根据质量因素热耗体积密度、热阻来选择的。

在散热方法选择的权衡中应该考虑的典型因素有:

热阻、重量、维护要求或维修性、可靠性、费用、制造容差、后勤状况、热效能、效率或有效系数、耐环境及严酷度、对人体的危害程度、尺寸、复杂性、功耗及对设备电性能的影响[5]。

需要指出的是：

一个散热方案不限于一种散热方式，大多数方案都是根据具体情况，包含几种散热方式，相互配合使用。

2.4常用的散热器类型

按照散热器肋片种类的不同，基本上可分为两种：

等截面肋和变截面肋。

从外形上看，散热器可分为两种类型，一种是平板型散热器（即散热板），结构简单，容易自制，但散热效果较差，且所占面积较大；另一类是经加工成型、构成系列化产品的散热器，如型材散热器、叉指型散热器、扇顶型散热器和塑封器件专用散热器等。

此类散热器的散热效果好，易于安装，适合进行大批量生产，但成本较高。

对于不同类型的散热器，使用时应查阅有关散热器手册确定其相应的热阻值。

下列图中列出了几种常见的散热器模型。

图2.1横剖压延散热器图2.2折叠肋片式散热器

图2.3有源散热器图2.4型材散热器

如图所示，图2.1横剖压延散热器一般适用于气流不是来自于一个方向，能在多个方向均匀散热；图2.2折叠肋片式散热器，适用于增加散热表面积，能够更有效散热；图2.3有源散热器可用于局部冷却，一般电脑CPU的风扇就是此种散热器，能够对机箱中的CPU有效散热；图2.4中型材散热器能用于大面积的散热，当器件较大时增加表面积使器件有效散热，比较适用于大功