多排阵列大功率LED的ICEPAK热设计
摘 要： 随着LED的集成度越来越高，LED的散热问题越来越突出。为提高LED的使用寿命和可靠性，使用专门的热分析软件ANSYS ICEPAK对影响多排阵列大功率LED散热的关键因素风扇质量流量、翅片厚度以及翅片行间距等进行分析研究。结果得出基板温度随风扇质量流量的增大而降低，随翅片厚度的增加先降低后升高，随翅片行间距的增加先降低后升高，并分别提出有效的改进措施。最后对初始模型进行参数优化，将风扇质量流量从初始的0.005 kg/s优化为0.010 kg/s，将翅片厚度从初始的0.018 m优化为0.012 m，将翅片行间距从初始的0.014 m优化为0.010 m。优化后基板的温度为81.31 ℃，比优化之前的107 ℃降低了25.69 ℃。
关键词：多排阵列； 大功率LED； ANSYS ICEPAK； 影响因素； 热设计
中图分类号： TN312.8?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）02?0113?03
ICEPAK?based thermal design for multi?row array high?power LEDs
WANG Mingxia， ZHOU Junjie
（College of Chemical Engineering and Energy， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China）
Abstract： As the LED integration level becomes increasingly high， the heat dissipation problem is more prominent. To improve the working life and reliability of LED， three key factors of fan wind?speed， fin thickness and fin row?space which affect the heat dissipation of multi?row high?power LEDs are studied by means of special thermal analysis software ANSYS ICEPAK. The research results show that the substrate temperature is decreased with the increase of fan wind?speed， raised after reducing with the increase of the fin thickness， and raised after reducing with the increase of fin row?space.. The effective improvement measures are put forward respectively. The parameter optimization of the initial model was conducted. The fan wind?speed was optimized from the initial 0.005 kg/s to 0.010 kg/s， the fin thickness was optimized from the original 0.018 m to 0.012 m， and the fin row?space was optimized from the initial 0.014 m to 0.010 m. The optimized substrate temperature is 81.31 ℃， which is 25.69 ℃ lower than the original temperature 107 ℃.
Keywords： multi?row array； high?power LED； ANSYS ICEPAK； influence factor； thermal design
随着LED 芯片的输入功率不断增大，其散热问题越来越突出，影响LED 的使用寿命和可靠性。因此，对大功率LED 进行合理的热设计，提高其散热能力成为亟待研究的热点之一。文献[1?5]分析了翅片高度、散热片面积、热沉平均高度、热沉厚度和热沉数目、密封材料、键合材料、散热基板等对LED灯具的影响。并指出在LED光源与灯具散热板接触处，使用导热系数高的材料；灯具散热性能随着热沉平均高度和热沉数目的增大而增强，但当变化达一定值时，这一趋势减缓；随着热沉厚度增加，散热器散热能力先增后减。文献[6?8]使用COMSOL，Matlab，CFD热仿真软件，对铜基板厚度、氧化铝层厚度、散热片厚度、散热器材料选择、LED颗数及其间距、材料导热率设置等影响灯具散热的因素进行优化，优化后的LED工作温度更为理想，能有效提高LED灯具的寿命。本文使用ANSYS ICEPAK软件探讨影响大功率LED散热的关键因素，并根据影响因素对初始模型进行优化设计，有效降低了多排阵列大功率LED灯具的温度。
1 多排阵列大功率LED建模及仿真
多排阵列大功率LED照明灯具的机柜包含34个LED热源（密封在1个腔体内），1块基板，34个翅片，3个风扇，和1个自由开孔。翅片和基板用铝挤压型材，每个风扇质量流量为0.005 kg/s，每个热源功率为10 W，翅片的厚度为0.018 m，y方向翅片的行间距为0.014 m，腔体的传热系数为15 W/（m2·K）。根据设计目标，当环境温度为20 ℃时，设备的基板温度不超过90 ℃。完整的LED照明灯具的模型如图1所示。
图1 LED照明灯具模型
为了简化计算，在确保计算精度的前提下，做出以下几点假设：
（1） 认为空气是不可压缩流体。
（2） 空气进口温度设为环境温度。
（3） 忽略翅片和基板的接触热阻，认为二者接触部分的温度相同。
（4） 将热源简化为二维热源，使其紧贴基板；忽略热源与基板之间的接触热阻，认为二者接触部分的温度相同。
由于温度升高使元件所受的热应力增大，当热应力超过材料的屈服强度时材料就会失效，致使元件的性能下降。所以本文以系统内最高温度作为评价翅片式散热器可靠性的指标。
本文以紧贴热源的基板最高温度作为评价指标。计算出雷诺数为6 919.76，选择Realized two equation湍流模型进行计算，得出在此工况下，基板的温度分布云图，如图2～图3所示。越远离风扇，基板的温度越高，呈逐渐增高的趋势。基板的最高温度出现在空气出口附近；基板的最高温度是107 ℃，大于90 ℃，所以此时的风量不可以冷却这些热源；所以需要对此模型进行优化。
图2 基板的温度云图
图3 y方向背板中心线温度变化
2 关键因素对多排阵列大功率LED的影响
影响LED灯具散热的因素有很多，如结构构件间的热阻，散热系数，材料，热传导系数，散热片散热面积，铝基板LED的颗粒分布，散热片形状设计，翅片分布等。下面分别考虑风扇质量流量、翅片厚度、翅片行间距三个因素对基板温度的影响。
2.1 风扇质量流量对LED灯具散热的影响
只改变风扇质量流量大小，其他条件不变的情况下，对此LED灯具进行数值模拟。图4是改变风扇质量流量，使其从0.005 m/s逐渐增大到0.020 m/s，其他条件不变的情况下，基板随风扇质量流量的变化曲线。图4显示，随着质量流量的增大，基板的温度降低。在质量流量增大到0.010 kg/s时，基板温度为86.34 ℃，低于所要求的90 ℃，已经满足要求。因此选择最优的风扇质量流量为0.010 kg/s。
图4 基板温度随风扇质量流量的变化曲线
2.2 翅片厚度对LED灯具散热的影响
将所有风扇的质量流量设为0.010 kg/s，然后依次改变翅片厚度，从0.010 m增大到0.018 m，其他条件不变，对此LED灯具进行数值模拟。如图5所示，随着翅片厚度的增加，基板温度先降低再升高。在翅片厚度为0.012 m时，基板温度为84.98 ℃，基本达到最低。因此，可以将模型的翅片厚度设为0.012 m。
2.3 y方向翅片行间距对LED灯具散热的影响
将风扇质量流量均设定为0.010 kg/s，翅片厚度均设为0.012 m。然后依次改变翅片的行间距，使其从0.006 m增大到0.026 m，对修改后的LED模型进行数值模拟。如图6所示，随着翅片行间距的增大，基板的温度先降低后逐渐增加。在翅片行间距为0.010 m时，基板的温度最低，为81.31 ℃。所以建议在布置翅片时，合理选择翅片的行间距。在此选择最优的翅片行间距为0.010 m。
图5 基板温度随翅片厚度的变化曲线
图6 基板温度随翅片行间距的变化曲线
3 多排阵列大功率LED的优化设计
综合考虑风扇质量流量、翅片厚度以及翅片行间距三个因素对基板温度的影响及分析，将风扇质量流量从初始的0.005 kg/s优化为0.010 kg/s，翅片厚度从初始的0.018 m优化为0.012 m，y方向翅片行间距从初始的0.014 m优化为0.010 m，其他条件不变。在此工况下，对优化后的LED进行数值模拟，得到基板的温度云图，如图7所示。优化后基板的最高温度为81.31 ℃，而优化之前基板的温度是107 ℃，二者相比，优化后比优化前的基板温度降低了25.69 ℃。由此说明，更改模型的某些参数可以有效降低LED模型的基板温度。因此在设计模型时，应尽量选择最优的尺寸。
4 结 语
对多排阵列大功率LED数值模拟，研究风扇风量、翅片厚度、翅片行间距三个关键因素对基板温度的影响；结果得出基板的最高温度随风扇风量的增加而降低，随翅片厚度的增加而先降低后升高，随翅片行间距的增加也是先降低后升高。
图7 优化后基板的温度云图
LED灯具的初始风扇质量流量、翅片厚度、翅片行间距分别为0.005 kg/s，0.018 m，0.014 m。对其进行优化，得出其可靠性工作的最优参数：风扇风量都是0.010 kg/s，翅片厚度是0.012 m，翅片行间距是0.010 m。
优化后基板的温度比优化前降低了25.69 ℃。优化后基板的最高温度是81.31 ℃，小于90 ℃，所以优化后的工况可以冷却这些热源。
注：本文通讯作者为周俊杰。
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