LED芯片分布对散热性能的影响研究

 

　　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。

　　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

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。


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　求解方程：

　　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

　　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）。

 

 

　　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。