高功率高亮度發(fā)光二極體(LED)以其出色的色彩飽和度和使用壽命長的特點(diǎn)正滲透到一些照明應(yīng)用中。然而，對熱設(shè)計(jì)師來說，防止LED過熱是最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。因此，通過計(jì)算流體動力(CFD)模擬LED組件在應(yīng)用設(shè)計(jì)過程中變得越來越重要。本文分別比較了有散熱器和無散熱器時(shí)在星型金屬芯印刷電路板(MCPCB)上使用高功率LED封裝的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。比較討論之后，就帶散熱器時(shí)LED封裝的散熱建模技術(shù)案例做了闡述。 CFD建模結(jié)果充滿了希望，并說明這種技術(shù)可用于LED系統(tǒng)級的評估。本文還討論了在LED封裝中使用散熱介面材料的影響。

　　預(yù)測LED熱性能正成為幫助縮短上市時(shí)間所不可或缺的一種能力。然而，隨著熱通量和封裝密度日益增加，LED封裝模塊的散熱正變得越來越具挑戰(zhàn)性，熱分析和LED模塊設(shè)計(jì)也變得越來越重要。因此，在設(shè)計(jì)早期CFD仿真已成為一種廣泛使用的電子產(chǎn)品熱分析方法。CFD與流體流動的數(shù)值分析，熱傳導(dǎo)和其他相關(guān)過程如輻射一同受到關(guān)注。

　　本文介紹了生成帶有散熱器的高功率LED星型封裝所需完成的工序。首先，生成詳細(xì)的LED封裝星型襯底模型，然后在LED星型封裝底部生成散熱器。最后，將模擬數(shù)據(jù)同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相比較。另外我們所關(guān)注的方面是LED封裝上散熱介面材(TIM)產(chǎn)生的影響。目的是顯示不同焊線厚度(BLT)下TIM的特點(diǎn)和陷入 TIM內(nèi)的空隙的百分比。

　　熱建模技術(shù)

　　使用Flotherm——來自Flomerics公司的CFD工具，模擬LED封裝即星型襯底(MCPCB)。建立詳細(xì)模型，以比較與實(shí)際測量值的錯(cuò)誤百分率。圖1所示為LED封裝配置。焊料填補(bǔ)在封裝和襯底間。當(dāng)封裝達(dá)到最大功率1.3瓦時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)自然和強(qiáng)迫對流空氣冷卻都無法將結(jié)溫保持在可接受范圍之內(nèi)，即125℃及以下。 附加的散熱器作用在于幫助達(dá)到溫度要求。為了在LED上安裝散熱器，需將熱粘合帶連接到散熱器背面，并將該散熱器安放在LED襯底底部。

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　　網(wǎng)格，邊界條件

　　對于CFD分析，下列屬性可假設(shè)為：三維，穩(wěn)態(tài)，靜態(tài)氣流和空氣屬性是常數(shù)，環(huán)境溫度為25度，計(jì)算域?yàn)?05 x 305 x 305毫米，且通過自然對流，傳導(dǎo)和輻射進(jìn)行散熱。

　　帶有詳細(xì)散熱器模型的LED封裝襯底的總網(wǎng)格單元大約為200000。對于網(wǎng)格單元的生成，建議散熱器翅片間至少采用三個(gè)單元。

　　熱阻計(jì)算

　　計(jì)算熱阻值，需測量垂直通過芯片，芯片連接層，管芯焊盤，散熱介面材，散熱器和電介質(zhì)層直到襯底的熱流情況。每一層都具有自己的熱特性(見表1)。通過使用下列方程，可計(jì)算得到從芯片(交界處)到四周的熱阻值。

　　RJA代表熱量如何從LED芯片向四周消退，這意味著較低的RJA值意味著更好的熱性能。圖2所示的是三維和二維截面封裝結(jié)構(gòu)。

　　數(shù)值模擬 vs 實(shí)際試驗(yàn)

　　LED封裝安裝在星型MCPCB上。散熱器是典型的翅片式，共有110個(gè)翅片，其底座是由擠壓鋁制成，采用熱粘合帶將其連接到星型MCPCB背面。該封裝以1.2瓦功率驅(qū)動，通過封裝金屬芯上的熱電偶來測量焊接點(diǎn)溫度(Tmetalslug)。只有在溫度達(dá)到飽和后才能進(jìn)行測量。

　　表1所示的是仿真模型的測量數(shù)據(jù)比較。當(dāng)模擬溫度高于測量溫度時(shí)，它表明數(shù)值模型無法考慮到一些冷卻現(xiàn)象。

　　TIM的影響

　　熱量從LED封裝擴(kuò)散到電路板或散熱器過程中TIM發(fā)揮了關(guān)鍵性作用。圖2中，TIM1位于LED封裝和襯底間。使用不同的熱導(dǎo)率值和不同的焊線厚度進(jìn)行仿真模擬。

　　如圖3所示：襯底上帶有散熱器的Moonstone封裝，隨著焊線厚度的增加， TIM1熱傳導(dǎo)率對介面熱阻的影響也不斷增加，這表明，隨著焊線厚度的增加，熱阻增加對熱傳導(dǎo)率更為敏感。不過，不同熱傳導(dǎo)率值和不同焊線厚度的影響并不顯著。

　　兩不一致的固體表面間的空隙會減少熱傳導(dǎo),而TIMs符合相鄰固體表面的微觀表面輪廓，并增加LED金屬片(熱源)與金屬芯PCB/FR4 PCB(散熱器)間的接觸面積。因此，它能夠減少接觸面積的溫降。

　　熱設(shè)計(jì)考慮

　　除利用TIMs提高熱性能以外，以下是其它熱設(shè)計(jì)方面的改進(jìn)：散熱器的幾何形狀和表面構(gòu)造，以及它的方向位置;系統(tǒng)采用封閉式空氣流動路徑設(shè)計(jì)，促進(jìn)自然對流冷卻;使用能動式制冷系統(tǒng)，如風(fēng)扇和熱管，消除熱空氣，增加自然對流冷卻。

　　本文闡述如何將CFD建模技術(shù)用于模擬帶有散熱器的LED星型封裝。結(jié)果表明，該仿真模型為實(shí)際測量提供了可喜的成果。CFD是一個(gè)很好的工具，它協(xié)助設(shè)計(jì)工程師將功率式LED用于實(shí)際應(yīng)用，工業(yè)應(yīng)用中其誤差率也是可接受的。隨著焊線厚度增加，與TIM熱導(dǎo)率相比，熱阻的增加對接觸面積更為敏感，陷入TIM1內(nèi)的空隙百分比(高達(dá)15%)也是可接受的，且它不會造成任何顯著的熱性能下降。