基于熱管散熱的LED器件封裝熱分析

第43卷第3期電力電子技術(shù)Vol 43009年3月Power ElectronicsMarch基于熱管散熱的LED器件封裝熱分析魯祥友’,華澤釗',謝遠來(lái)2,劉美靜(1.上海理工大學(xué),上海20093;2中國科學(xué)院等離子體物理研究所,安徽合肥230031)摘要:大功率發(fā)光二極管( Light Emitting Diode,簡(jiǎn)稱(chēng)IED)結點(diǎn)溫度的高低直接影響到LED的壽命和可靠性,故保持LED結溫在允許的范圍內,是大功率LED封裝和應用必須解決的核心問(wèn)題。提出將扁平熱管應用在大功率LED的散熱上;比較了扁平熱管和銅板兩種散熱方式下LED的結點(diǎn)溫度和熱阻的熱特性。研究結果表明,在輸入功率為3W時(shí),熱管冷卻LED的結點(diǎn)溫度為52℃,而銅板冷卻LED的結點(diǎn)溫度為83℃,對應的系統總熱阻分別為88KW和19KW。由此證明,在大功率條件下,熱管的散熱能力明顯優(yōu)于傳統的銅板散熱。關(guān)鍵詞:發(fā)光二極管;封裝;熱管/結點(diǎn)溫度中圖分類(lèi)號:TN3I2,TK124文獻標識碼:A文章編號:1000-100X(2009)03-0073-0Thermal Analysis of LED Packages based on Heat Pipe Heat SinkLU Xiang-you', HUA Ze-zhao, XIE Yuan-lai2, LIU Mei-jing(1. University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China2.Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)Abstract: The junction temperature of high-power light emitting diode(LED)has directly influence upon the life time andliability of high power LED, so keeping the junction temperature of LEd in the given range is a key issue being dealtwith during device packing and application of high power LED A new type structure fattened heat pipe cooling device forhigh power LED is brought forward. The thermal conductivity including junction temperature and thermal resistance of LEDis studied in different heat dissipation modes under the same test condition. The obtained results indicate that the junctiontemperature of LED is about 52 C and 83 C for using the heat sink of flattened heat pipe and copper plate respectivelywhen the input power is 3 W, and correspondingly the total thermal resistance of LED system is 8.8 K/W and 19 K/W re-pectively. The heat dissipation property of flattened heat pipe is more excellent than the cooper plate's in the condition ofgh input power.Keywords: light emitting diode; packing; heat pipe/ junction temperatureFoundation Project: Supported by National Natrual Science Foundation of China(No. 50676063): Key Subject Project ofShanghai(No T0503; P0502); Innovation Foundation for Graduate Students of Shanghai1引言2試驗用熱管及試驗條件半導體照明有可能成為替代白熾燈、熒光燈的21試驗用熱管及測溫點(diǎn)分布新型固體光源,是21世紀最具發(fā)展前景的高技術(shù)扁平熱管由蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段組成,其測領(lǐng)域之一,將創(chuàng )造照明產(chǎn)業(yè)的第4次革命2。但溫點(diǎn)分布如圖1所示。管內壁上敷設絲網(wǎng)毛細結構是,與現有照明燈具相比,發(fā)光效率低和散熱能力吸液芯,大功率LED用導熱絕緣膠封裝在蒸發(fā)段管差是大功率發(fā)光二極管( Light Emitting Diode,簡(jiǎn)稱(chēng)壁上。熱管運行時(shí),液體工質(zhì)在蒸發(fā)段內吸收熱量而ED)面臨的主要技術(shù)瓶頸。目前LED的發(fā)光效率蒸發(fā),產(chǎn)生的蒸汽從蒸汽腔流入冷凝段,在冷凝段被僅能達到10%-20%,還有80%-90%的能量轉換成冷卻放出熱量而冷凝成液體,在毛細結構絲網(wǎng)產(chǎn)生了熱量,LED芯片的熱流密度超過(guò)了100Wm2,所的毛細力作用下再回流到蒸發(fā)段,如此形成了一個(gè)以散熱對LED的意義重大。在此將相變傳熱的工質(zhì)的流動(dòng)循環(huán)和熱量傳遞過(guò)程。扁平熱管技術(shù)引入到大功率LED散熱的試驗研究蒸發(fā)段70mm)中,并在相同的條件下,與傳統的LED銅板散熱模塊進(jìn)行了熱性能比較?；痦椖?國家自然科學(xué)基金資助項目(506760653);上海市中國煤化工Q重點(diǎn)學(xué)科建設項目(T0503;P0502);上海市研究生CNMH創(chuàng )新基金項目定稿日期:2008-08-1圖1熱管冷卻LED測溫點(diǎn)布置示意圖作者簡(jiǎn)介:魯樣友(1973-),男,安徽靈壁人,博士生,研究方試驗用熱管為銅-水熱管,即熱管材料為銅,工質(zhì)向為光電子器件熱物理是二次蒸餾水,熱管的厚度為5mm,寬度為15mm第43卷第3期電力電子技術(shù)VoL 43 No. 32009年3月Power Electronics總長(cháng)度為160mm。毛細結構為500目的銅絲網(wǎng),厚相同。分析圖3可知,當P<0.7W時(shí),銅板的散熱效度為0.25mm。溫度采用銅-康銅熱電偶(T型)測量,果比熱管好;而當P>0.7W后,熱管的散熱效果明測溫點(diǎn)分布:T-T為蒸發(fā)段測溫點(diǎn),T6-T為絕熱段顯優(yōu)于銅板;在P=3W時(shí),熱管冷卻LED的結點(diǎn)測溫點(diǎn),To-Tu為冷凝段測溫點(diǎn),Ts,Ti為L(cháng)ED管溫度T=52℃,而銅板冷卻LED的結點(diǎn)溫度Tc腳測溫點(diǎn)。83℃。分析其原因可知:在P<07W時(shí),熱管沒(méi)有22實(shí)驗條件完全啟動(dòng)起來(lái),而熱管里充裝的是工質(zhì)水,水的導LED輸入功率01~3W;LED電源為恒流源;充熱系數遠比銅小得多,熱管的綜合導熱系數遠比銅液率(工質(zhì)體積與蒸發(fā)段總體積之比)50%;冷凝段板小得多,此時(shí)熱管和銅板的傳熱方式主要都是導釆用自然風(fēng)冷卻,風(fēng)速約1ms,由風(fēng)速儀測定;蒸汽熱;當P>0.7W時(shí),熱管啟動(dòng)成功,此時(shí)熱管綜合導壓力采用壓力傳感器測量;環(huán)境溫度為25℃。熱系數比銅板要大幾個(gè)數量級。這也恰恰證明了當3LED結點(diǎn)溫度測量理論P較小時(shí),靠傳統的銅板或者鋁板等即可將LEDLED結點(diǎn)溫度測量方法主要有紅外攝像法、正散發(fā)出來(lái)的熱量移走,而當P較大時(shí),僅靠導熱已向電壓法、管腳法和藍白比法等,采用管腳法測量經(jīng)難以滿(mǎn)足LED的散熱需要此時(shí)相變傳熱則可能LED的結點(diǎn)溫度。通過(guò)換算可得結點(diǎn)溫度和LED芯是一個(gè)很好的選擇。片耗散的熱功率分別為T(mén)TP+PROpP, P=UrP(1)式中:T為管腳溫度;U,l為加在LED器件上的驅動(dòng)電壓和電P為L(cháng)ED發(fā)光功率;R6為從結點(diǎn)到管腳的熱阻系數,由廠(chǎng)家給出。2通常規定LED結點(diǎn)溫度不高于110℃,即TT+(UP)R6yp≤110℃(2)圖3不同散熱方式的LED結點(diǎn)溫度4試驗結果與分析4.3大功率LED的熱阻特性分析41熱管冷卻LED的啟動(dòng)和關(guān)閉特性圖4示出LED散熱系統熱阻模型。大功率LED圖2示出扁平熱管冷卻大功率LED啟動(dòng)和關(guān)散熱系統總熱阻為:閉時(shí)的溫度曲線(xiàn)(輸入功率為1W)。熱管的啟動(dòng)性△和穩定操作溫度是用來(lái)評價(jià)大功率LED芯片散熱用扁平熱管性能的一個(gè)非常重要的參數。分析圖2式中P為L(cháng)ED耗散的熱功率;7為環(huán)境溫度?？芍?所設計的熱管性能非常優(yōu)異,在7min內能夠迅速啟動(dòng),穩定性好;LED的結點(diǎn)溫度始終被控制粘結材料在約38℃,很好地滿(mǎn)足了大功率LED對散熱結點(diǎn)導熱絕緣膠溫度穩定性的要求。在啟動(dòng)的工況下,結點(diǎn)溫度迅■■■■■國■■■■■■國散熱裝置速上升,而在關(guān)閉工況下(電源關(guān)閉),結點(diǎn)溫度迅4LED散熱系統熱阻模型速下降,這說(shuō)明LED結點(diǎn)的蓄熱能力較弱,如果沒(méi)圖5示出在銅基板和扁平熱管兩種不同的散熱有一個(gè)很好的散熱裝置及時(shí)把結點(diǎn)產(chǎn)生的熱量取方式下系統的熱阻曲線(xiàn)走,那么熱量會(huì )很快在結點(diǎn)積聚起來(lái),從而影響件的安全運行圖5兩種不同散熱方式下系統的熱阻曲線(xiàn)知在P25W時(shí),銅板散7方數據基于熱管散熱的LED器件封裝熱分析熱器與環(huán)境之間的熱阻REAc明顯上升,說(shuō)明銅板相變傳熱的扁平熱管應該是一個(gè)很好的散熱裝置。此時(shí)開(kāi)始積溫,已經(jīng)不能夠及時(shí)地把LED發(fā)出的熱量移走,熱管蒸發(fā)段與環(huán)境之間的熱阻RAn明參考文獻顯降低說(shuō)明此時(shí)熱管的性能開(kāi)始優(yōu)化,可以及時(shí) [I Hsu J T, Han W K, Chen C,eta. Design of multichi地把LED發(fā)出的熱量移走。此時(shí)熱管的散熱能力LED Module for Lighting Application[A)Proc. SPIE 4776(CH明顯優(yōu)于銅板散熱。5結論[2] Kim L, Choi J H, Jang S H,et al. Thermal Analysis of LED(1)提出將扁平熱管用于大功率LED散熱的方Array System with Heat Pipe [].Thermochimica Acta, 2007法,研究了扁平熱管和銅板兩種散熱方式在大功率455:21-25LED散熱中的熱性能,在輸入功率為3W時(shí),熱管ang,Jgs,HwaW, al.Thermal Analysis of High冷卻LED時(shí)的結點(diǎn)溫度為52℃,而銅板冷卻LED時(shí)的結點(diǎn)溫度為83℃,對應的系統總熱阻分別為{ Arik M, Weaver SChip Scale Thermal Management of High88K/W和19K/W。Brightness LED Packages[A). Proc. of SPIE 5530(C).2004(2)在輸入功率小于07W時(shí),銅板具有較好的214-223.散熱效果,在輸入功率為25W時(shí),銅板開(kāi)始積溫,(5蘇達,王德苗大功率LED散熱封裝技術(shù)研究的新進(jìn)而熱管的性能開(kāi)始優(yōu)化,說(shuō)明LED的功率增大時(shí),展J電力電子技術(shù),2007,41(10):13-15(上接第64頁(yè))形。由圖可見(jiàn),該整流器可基本實(shí)現單位功率因數運行,且在控制器中加入陷波濾波器后,網(wǎng)側電流得到了明顯的改善,電流波形更加正弦化>41.02L.041.06I.08L.I1.021.04.06.08L.(a)電反饋值(b)網(wǎng)側電流給定值峰值4未加濾波和經(jīng)過(guò)濾波的仿真波形圖4b示出P控制器輸出的網(wǎng)側電流給定值峰a)傳統控制策略值的波形,其中,“分別為傳統控制器和經(jīng)過(guò)陷波(b)新的控制策略圖6網(wǎng)側電壓和電流的實(shí)驗波形濾波后的PI輸出波形。仿真和實(shí)驗結果驗證了該方法的正確性為進(jìn)一步驗證該方法的正確性,實(shí)際搭建了小6結論功率單相PWM整流器,采用TMS320F2812作為控針對單相PwM整流器輸出直流側電壓二次波制器。系統參數:U=1471V,L=23mH,C=8800μF,動(dòng)使網(wǎng)側電流存在較大諧波,對電網(wǎng)造成污染的問(wèn)直流側給定電壓U=200Vf=f=25kHz題,探討了一種抑制直流電壓二次諧波影響的新控圖5示出當該單相PWM整流器穩定運行于輸制器,并與傳統的控制算法進(jìn)行了比較。通過(guò)仿真和出電壓為20ⅴ時(shí),由DSP采集的直流側電壓波形。實(shí)驗證明,該控制器能有效消除直流側電壓二次波其中u為直接從整流器直流側采集回來(lái)的電壓波動(dòng)對網(wǎng)側電流的影響從而改善網(wǎng)側電流波形,降低形,ux為a經(jīng)過(guò)陷波濾波器后的波形。諧波含量。參考文獻[張崇巍,張興pPwM整流器及其控制M北京:機械工業(yè)出版社,20032]王成智鄒去屏基于SPWM調制的單相大功率整流器果樣點(diǎn)個(gè)數圖5實(shí)際系統電壓采集值研究U電力電子技術(shù),2008,42(6):69-71由圖4,5可見(jiàn),在單相PwM整流器控制器中8中國煤化工策略研究與仿真加入陷波濾波器,可有效抑制直流側電壓的二次波4宋CNMH動(dòng)對網(wǎng)側電流的影響,從而消除網(wǎng)側電流中的部分m硎m疋崝波改善控制方法電氣應用,2008,27(12):45-48.3次及更高次諧波。5]鄭波祥李華陷波濾波器在TMS320F240上的實(shí)現U圖6示出傳統和新的控制策略下的電壓電流波應用科技,2004,31(1):32-33