高功率LED開發(fā)之CFD模擬散熱解決方案

高功率、高亮度發(fā)光二極管(LED)由于具有良好的色彩飽和度、長(zhǎng)效壽命，目前正逐漸切入眾多照明應(yīng)用，不過(guò)要如何避免LED過(guò)熱，卻是散熱設(shè)計(jì)工程師必須面對(duì)的重大考驗(yàn)，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，計(jì)算流體動(dòng)力分析(Computational Fluid Dynamic, CFD)模型的重要性也愈益突顯。本文中將比較采用星形金屬核心印刷電路板(MCPCB)的高功率LED，包裝在搭配與未使用散熱片情況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在進(jìn)行比較討論后，將提供一個(gè)應(yīng)用在搭配散熱片LED包裝上的溫度模型建立技術(shù)，由此看來(lái)，采用CFD模型所取得的結(jié)果相當(dāng)可行，同時(shí)也展現(xiàn)出此項(xiàng)技術(shù)可應(yīng)用在LED系統(tǒng)層級(jí)的評(píng)估上，文章中并將討論在LED包裝上采用散熱接口材料(Thermal Interface Material, TIM)所帶來(lái)的效應(yīng)。

　　預(yù)估LED散熱　簡(jiǎn)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)

　　能夠預(yù)先推估LED的散熱效能表現(xiàn)，對(duì)協(xié)助設(shè)計(jì)工程師有效縮短采用LED產(chǎn)品的上市時(shí)間已是不容忽略的事實(shí)，不過(guò)，當(dāng)熱能流動(dòng)與封裝密度越來(lái)越高時(shí)，LED封裝模塊的散熱設(shè)計(jì)就變得更加困難，同時(shí)模塊的設(shè)計(jì)與熱能分析也更為重要，因此CFD的仿真已成為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期熱能分析普遍使用的方法，CFD主要包含有流體流動(dòng)、熱傳導(dǎo)以及熱幅射等相關(guān)程序的數(shù)值仿真分析。

　　本篇文章提出建立一個(gè)帶有散熱片高功率LED星形封裝的步驟，首先針對(duì)采用星形基體的LED封裝建立詳細(xì)的模型，接著在LED星形封裝的底部加上散熱片，最后再將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

　　文章的另一個(gè)重點(diǎn)則在于TIM對(duì)LED封裝帶來(lái)的影響，主要目的是用來(lái)找出不同接口厚度(Bond Line Thickness, BLT)散熱接口材料的特性，以及材料中空隙的百分比。

　　依溫度模型建立技術(shù)

　　采用星形基體的LED封裝使用Flomeric出品的CFD工具Flotherm來(lái)建立模型。

　　模型描述為首要工作

　　首先建立詳細(xì)的模型，以便找出與實(shí)際測(cè)量結(jié)果間的誤差百分比，LED封裝的詳細(xì)尺寸參數(shù)以及包裝材料的熱傳導(dǎo)能力參考表1。

　　表1　帶散熱片LED星狀包裝的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)以及包裝材料的導(dǎo)熱能力

　　圖1分別為L(zhǎng)ED封裝的前視圖與布局安排，封裝與基體間加入焊膏，當(dāng)包裝達(dá)到1.3瓦的最大功率時(shí)，使用標(biāo)準(zhǔn)的自然與強(qiáng)制對(duì)流空氣散熱方式，并無(wú)法將接面溫度維持在125℃以下的可接收范圍內(nèi)，因此須加上散熱片以能符合目標(biāo)溫度的要求，要將散熱片封裝在LED上，首先要把導(dǎo)熱膠帶黏貼在散熱片后端，接著將散熱片封裝在LED基體的底部。

　　圖1　上圖為安華高科技Moonstone星形包裝功率LED ASMT-Mx09的前視圖與側(cè)視圖。下圖為采用星形包裝的LED產(chǎn)品ASMT-Mx09。

　　再設(shè)定柵格/邊界條件

　　要進(jìn)行CFD分析，須先假設(shè)三維空間、穩(wěn)定狀態(tài)、穩(wěn)定氣流、空氣特性穩(wěn)定、環(huán)境溫度為25℃、計(jì)算范圍為305毫米×305毫米×305毫米，以及散熱方式透過(guò)自然散熱、熱傳導(dǎo)與熱輻射的條件。

　　詳細(xì)散熱片模型的基體LED包裝整體柵格數(shù)大約為二十萬(wàn)個(gè)，在柵格數(shù)設(shè)定上，建議在散熱片每個(gè)鰭片間至少使用三個(gè)。

　　剖析熱阻/數(shù)值/實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　接著要計(jì)算熱阻、數(shù)值分析以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。