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摘 要：本文主要研究了大功率LED的散热技术,文中选取基板作为突破点,探索一些高散热性能,低成本,高可靠性的结构.
关 键 词：大功率LED散热ANSYS基板
中图分类号：TN文献标识码：A文章编号：1007-0745（2013）06-0024-01
1前言
文中通过用ANSYS软件仿真分析散热情况,对比现有的大功率LED散热技术,在此基础上提出改进方案.
目前,在LED封装中应用的散热基板主要有环氧树脂覆铜板（FR-4）、金属基覆铜板（MCPCB）、陶瓷覆铜板等[1].
2用ANSYS软件分析LED基板的散热情况
通过仿真以下两项工作：
一是仿真模拟传统的FR一4环氧树脂覆铜板和市场上现有的MCPCB铝基板的散热性能,以及铝基板在不同环境参数下的散热分布情况,得出改善铝基板散热效果的必要性；
二是以MCPCB为原型,利用仿真了解绝缘层特性的变化在铝基板散热中所发挥的作用,为新型基板的结构设计提供依据.
2.1仿真模型及边界条件
传统的FR—4采用的是双层结构,底层为环氧树脂,上层为导电铜箔；MCPCB是三层结构,底层为铝基板,中间为环氧树脂绝缘层,上层为导电铜箔.在仿真中,我们做了如下假定和抽象：
①所有芯片产生的热量都通过基板下部及侧面进行散热；
②在仿真中忽略导电铜箔的散热,即不考虑导电层的散热；
③在接触面上,我们假定接触面理想光滑,即不存在接触热阻；
④晶粒置于正方形基板的中心,选取其中1/4作为仿真分析对象.
仿真模型中的外形尺寸、导热系数等参数如表2.1所示,其各项参数都参考实际LED模组选取.
2.2仿真结果及分析
对于FR-4我们仿真了在通常工作温度Tw等于20℃时,1W级LED芯片的温度场分布.LED晶粒中心的最高温度达到了164.413℃.LED模组的热阻大约为635.6K/W.此时硅基的LED晶粒将会快速失效,说明FR—4环氧树脂覆铜板不能适用于大功率LED的封装.
对于金属基覆铜板,我们仿真了下述两个条件下的温度场分布.
①在通常工作温度Tw1等于20℃时,lW级LED芯片的温度场分布；
②在极端工作温度Tw2等于50℃时,3W级LED芯片的温度场分布.
由仿真结果得出,当环境温度为20℃、芯片功率为1W时,LED晶粒中心的最高温度为54.517℃.估算整个LED模组的热阻大约为55.35K/W,此时LED模组能保证正常的使用寿命.当环境温度为50℃、芯片功率为3W时,LED晶粒中心最高温度达到了168.551℃,此时硅基的LED晶粒将会快速失效,说明当环境温度提高时,MCPCB铝基板依然不能满足不断增长的散热需求.
3绝缘层特性的变化对铝基板散热的影响
在仿真中,选择两组对比条件,分别用于说明绝缘层导热系数和厚度对散热性能的影响.
3.1绝缘层导热系数对散热的影响
在针对绝缘层导热系数对散热的影响的仿真中,选取芯片及基板参数.尺寸参数同表2.1中晶粒尺寸和MCPCB尺寸保持一致,MCPCB绝缘层的导热系数作为变化参量,分别选择了0.8、2、20W/M·K[2].
晶粒中心在不同绝缘层导热系数下的最高温度分别为59.517℃、53.823℃、50.389℃.估算整个模组热阻在三个导热系数下分别为55.350K/W、26.880K/W、9.710K/W.
由此可见,随着绝缘层导热系数的不断增大,其芯片中心最高温度是不断下降的.说明绝缘层的导热系数增大可以使绝缘层的热阻变小,散热效果变好.
3.2绝缘层厚度对散热的影响
在针对绝缘层厚度对散热的影响的仿真中,选取的芯片及基板参数.尺寸参数同表2.1中晶粒尺寸和MCPCB尺寸保持一致,MCPCB绝缘层厚度作为变化参量,分别选择了0.04、0.08、0.16mm.
晶粒中心在不同绝缘层厚度下的最高温度分别为51.455℃、50.757℃、50.389℃.估算整个模组热阻在三个导热系数下分别为15.035K/W、11.550K/W、9.710K/W.
可见随着绝缘层厚度的减小,其晶粒中心最高温度是降低的,但变化幅度不大,说明绝缘层厚度的减小也可以使散热效果变好,但对散热效果的影响比较有限.因此,减小绝缘层导热系数是提升基板散热效果的主要手段.