縮減高功率LED開發(fā)之CFD模擬散熱

　　高功率LED的應(yīng)用日益擴大，但散熱問題仍是廠商頭痛的課題，而現(xiàn)可借由計算動力分析模型進行LED封裝的熱能分析，以降低產(chǎn)品設(shè)計初期的復雜度，加快產(chǎn)品上市時間。

　　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、長效壽命，目前正逐漸切入眾多照明應(yīng)用，不過要如何避免LED過熱，卻是散熱設(shè)計工程師必須面對的重大考驗，因此在設(shè)計過程中，計算流體動力分析(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驗結(jié)果，在進行比較討論后，將提供一個應(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，采用CFD模型所取得的結(jié)果相當可行，同時也展現(xiàn)出此項技術(shù)可應(yīng)用在LED系統(tǒng)層級的評估上，文章中并將討論在LED包裝上采用散熱接口材料(Thermal Interface Material, TIM)所帶來的效應(yīng)。

　　預(yù)估LED散熱　簡化產(chǎn)品設(shè)計

　　能夠預(yù)先推估LED的散熱效能表現(xiàn)，對協(xié)助設(shè)計工程師有效縮短采用LED產(chǎn)品的上市時間已是不容忽略的事實，不過，當熱能流動與封裝密度越來越高時，LED封裝模塊的散熱設(shè)計就變得更加困難，同時模塊的設(shè)計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)計初期熱能分析普遍使用的方法，CFD主要包含有流體流動、熱傳導以及熱幅射等相關(guān)程序的數(shù)值仿真分析。

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

　　文章的另一個重點則在于TIM對LED封裝帶來的影響，主要目的是用來找出不同接口厚度(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來建立模型。

　　模型描述為首要工作

　　首先建立詳細的模型，以便找出與實際測量結(jié)果間的誤差百分比，LED封裝的詳細尺寸參數(shù)以及包裝材料的熱傳導能力參考表1。
　　表1　帶散熱片LED星狀包裝的結(jié)構(gòu)細節(jié)以及包裝材料的導熱能力

　　圖1分別為LED封裝的前視圖與布局安排，封裝與基體間加入焊膏，當包裝達到1.3瓦的最大功率時，使用標準的自然與強制對流空氣散熱方式，并無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溫度的要求，要將散熱片封裝在LED上，首先要把導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℃、計算范圍為305毫米×305毫米×305毫米，以及散熱方式透過自然散熱、熱傳導與熱輻射的條件。
詳細散熱片模型的基體LED包裝整體柵格數(shù)大約為二十萬個，在柵格數(shù)設(shè)定上，建議在散熱片每個鰭片間至少使用三個。

　　剖析熱阻/數(shù)值/實驗結(jié)果

　　接著要計算熱阻、數(shù)值分析以及實驗結(jié)果。

　　測量介電層以計算熱阻

　　要計算垂直通過芯片的熱阻，須測量芯片黏合層、芯片墊片、TIM、散熱片以及與基體間的介電層，每階層都各自擁有自己的導熱特性(表2)，其中通過芯片，也就是接面到外部環(huán)境的熱阻Rja可透過方程式(1)、(2)加以計算：
　　
　　其中RJ-MS＝10 ℃/W
　　Rja代表熱能由LED芯片傳遞到外界的能力，也就是說，Rja的數(shù)值越低、散熱效能越好，圖2分別顯示封裝結(jié)構(gòu)的3D、2D橫切面圖，有助于了解整個散熱路徑。

圖2　上圖為LED星狀包裝的3D剖面圖，下圖為帶散熱片LED星狀封裝的2D剖面圖。

　　進行數(shù)值分析/實驗結(jié)果分析

　　安排在MCPCB上的LED封裝通常采用鋁擠方式做為基底，一百一十根鰭片的鰭片型散熱片則透過導熱膠帶黏貼在星形MCPCB背面，封裝以1.2瓦驅(qū)動，焊接點的溫度TMetalSlug則透過安排在封裝散熱塊上的熱電偶加以測量(圖3)，測量只有在溫度到達穩(wěn)定時才進行。

圖3　Moonstone LED封裝上的測量點

　　表2為仿真模型結(jié)果與測量數(shù)據(jù)的比較，可視化仿真結(jié)果分別顯示在圖4，當仿真結(jié)果溫度高于測量溫度時，代表數(shù)值模型忽略部分的冷卻現(xiàn)象。
　　表2　仿真結(jié)果與測量數(shù)據(jù)的比較

　　圖4　上圖為LED星形封裝的可視化模擬結(jié)果，下圖為詳細散熱片模型的MCPCB LED封裝可視化仿真結(jié)果。

　　TIM協(xié)助LED散熱

　　TIM在幫助LED封裝時，將熱能傳導到電路板或散熱片上扮演相當重要的角色，在圖2中，TIM 1位于LED封裝與基體間，使用不同的熱傳導值以及不同的BLT來進行模擬。

　　由圖5中可看出，帶散熱片基體Moonstone封裝的接口厚度越厚，接口熱阻受到TIM 1材料熱傳導能力的影響就越明顯，圖中顯示，當接口厚度提高時，熱阻的增加會更容易受到熱傳導能力的影響，不過不同熱傳導值、接口厚度間的影響并不明顯。

圖5　TIM對熱阻RJA的影響。

　　兩個實體表面間的空氣間隙會降低熱傳導能力，TIM則可用來將兩個相鄰實體表面黏合并提高LED散熱塊(發(fā)熱源)與金屬核心PCB/FR4 PCB(散熱片)間的接觸面積，因此能夠降低這個連接面的溫度差。

　　圖6中的RJA預(yù)估值為TIM 1接觸面質(zhì)量對散熱效能影響的數(shù)值模擬研究結(jié)果，其中假設(shè)唯一的空隙點位于整體體積的中心區(qū)域。

圖6　TIM 1接觸面積百分比大小對RJA的影響。

　　RJA最高大約增加2%，同時只在接觸面積區(qū)域為85%時會發(fā)生，此代表夾在TIM 1內(nèi)部的空隙可高達15%，而不會造成明顯的散熱效能影響，不過，由于模型的一些假設(shè)條件，這個預(yù)估結(jié)果的誤差率有可能達到20%，因此須進行其他實驗來驗證這個數(shù)據(jù)。

　　表3列出TIM材料的特性以及可用性，這些TIM材料在市場相當普遍，各有其優(yōu)劣勢。
　　

　　提高散熱效能方案紛出爐

　　除了使用TIM材料來強化散熱效能外，尚有一些可用來改善散熱能力設(shè)計的方法，包括散熱片的尺寸、表面結(jié)構(gòu)以及面向的安排；采用系統(tǒng)機殼氣流路徑設(shè)計加強自然對流冷卻；以及使用主動式冷卻系統(tǒng)，如風扇或?qū)峁軄硪瞥裏峥諝?，并協(xié)助自然對流冷卻。

　　這個研究展現(xiàn)出CFD的模型建立技術(shù)如何應(yīng)用，以模擬帶散熱片的LED星形封裝，結(jié)果清楚地顯示，仿真模型可提供相當符合實際測量的結(jié)果，由此可知，CFD是協(xié)助設(shè)計工程師將高功率LED導入實際應(yīng)用的良好工具，同時它的誤差百分比也在工業(yè)應(yīng)用可接受的范圍內(nèi)。

　　此外，熱阻的增加較易受到接觸面積的影響，接口厚度增加帶來的TIM材質(zhì)熱傳導能力則較不明顯，而TIM 1內(nèi)部高達15%的空隙為可接受的范圍，同時不會造成明顯的散熱效能影響。