LED路灯热分析及散热结构设计

第99卷，卷第期第第55期Vol．　9，No．5

电电子子与与封装

ELECTRONICS & PACKAGING

总　第73期2009年5月

产品、应用与市场

LED路灯热分析及散热结构设计

张　琦，陈　旭

（天津大学化工学院，天津 300072）

摘　要：LED作为第四代照明光源已被广泛应用于显示和照明系统设备，但由于其光电转化率较低，大部分电能实际转化成了热量，所以如何提高其散热能力是大功率LED实现产业化亟待解决的关键技术之一。文章以某公司LED路灯为模型，采用ANSYS有限元软件对其进行参数化建模及热分析，得出了其稳态的温度场分布，在此基础上通过设计正交实验，分析了铝制热沉不同结构参数对其温度场的影响情况。由最终的结果可知，在合适的范围内使散热器翅片的厚度和间距较小一些，可得到较为理想的优化结构，既能控制芯片的最高温度，又有效地减小了散热器的质量。文章LED路灯算例得到优化的质量为原质量的33.40%。关键词：大功率LED；热沉；热分析

中图分类号：TN305.94　　　文献标识码：A　　　文章编号：1681-1070（2009）05-0044-05

Thermal Analysis and Structural Design of Heat Sink of LED Street Lamp

ZHANG Qi, CHEN Xu

（School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University, Tianjin 300072, China）Abstract: Light-emitting Diode（LED）, the fourth generation light, has already been widely used in illumination devices,but the transformation efficiency of electricity to light is still low, so how to improve the capability of the heat sink become oneof the key technical issues for the industrialization of high-power LED. Based on a real street lamp of LED company,a parameterized model and thermal analysis with ANSYS software for high-power LED was obtained. The steady-state temperature fields of LED with difference of structure dimensions of the heat sink were compared usingorthogonal experimental design, and an optimized model which can not only limit the highest temperature on LED,but also decrease the mass of the heat sink was obtained by reducing the thickness and separation of fins of the heatsink. A case analysis of LED street lamp shows that optimized weight reduces to 33.40% of original weight.Key words: high-power LED; heat sink; thermal analysis

要求多个LED组合而成，从而造成LED密集度较大。

1 引言

与普通光源比，大功率LED具有省电、寿命长及反应时间快等优点[1]，在城市景观、LCD背光板、交通标志、汽车尾灯照明和广告招牌等方面有着广泛的应用[2]。LED芯片的表面面积小，工作时电流密度大，单颗LED的输出光束低，所以照明设备大多

收稿日期：2008-11-15

但由于LED的光电转换效率不高，大约只有15%~20%左右电能转为光输出，其余均转换成为热能，因此当大量LED 集中工作时，将会产生大量的热量。若不能使这些热量尽快有效地耗散，随之而来的热效应将会变得非常明显，致使结温上升，减少芯片出射的光子，使色温质量下降，加快芯片老化，缩短器件寿命，且由于LED芯片输入功率的不

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断提高，因散热问题牵扯到光、电、色等一系列的问题显得更加突出[3, 4]，因此对该结构进行热分析和优化设计就变得异常关键。

在设计LED发光器件时，为了较好地控制结温，良好的散热设计主要是出于以下考虑：一方面改善器件内部封装结构，提高发热芯片向外壳传导热量的能力；另外一方面提高外壳向外界散热的能力。

本文利用ANSYS有限元分析软件，对某公司LED路灯的散热结构进行了参数化设计及热分析，并通过设计正交实验，分析了铝制热沉各结构尺寸变化对其温度场的影响情况，最终得到较为理想的优化结构，达到了在散热效果基本不变的前提下，降低散热器用料，控制成本的目的。

在实际情况中热量沿以下路径传递[5]：芯片-导电胶-PCB板-导热胶-散热器。本文主要研究该LED的散热器结构优化，故建模时假设PCB板是各向同性的，并忽略导电胶和导热胶，且由于该灯对称，取1/2建模，模型如图2所示。

对与空气中接触的散热器外表面均设为自然对

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流[6]，对流系数为10W（m2·K），由于灯罩的密封

作用，模型其他表面均定义为绝热。每个芯片的输入功率1W，其中15%转化为光能，85%转化为热能，所以将（3.7×109）W·m-3的生热率载荷施加于芯片实体上，环境温度均假设为25℃，定义各种材料属性（见表3）。

对模型网格划分后进行有限元计算，得出模型的稳态温度场，由结果（见图3）可知模型最高温度为43.84℃，出现在原模型中心两列从底部数第三个芯片上，由于该芯片处在中心两列，且底侧为散热器的固定结构，而无散热翅片，故温度较高。

2 模型的建立与热分析

本文的分析原型为某公司的SM-RL-101路灯（见图1），所用到的主要参数见表1和表2。

图1 某公司SM-RL-101路灯

表1 LED封装中材料热性能参数

图2 原LED实体模型图

表3 LED中元件材料热性能参数

表2 原型铝制散热器的结构尺寸

3 散热结构的参数化建模及优化设计

3.1 参数化建模

为了便于该散热结构的优化设计，本文使用ANSYS参数化设计语言即APDL编写了参数化模型。APDL是一种功能强大的专用描述性、解释性语言，类似于FORTRAN，可提供一般程序语言的功能，如

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本次建模使用APDL，首先建立所要设计的散

参数、宏、标量、向量及矩阵运算、分支、循环、重复以及访问ANSYS有限元数据库等，可以用if-then-else分支结构和do循环及用户指令生成执行一系列任务的宏[7]，因此在同种问题多次建模的过程中具有广泛的应用。

热器结构参数（翅片厚度、翅片间距、翅片高度、底板厚度）间的结构关系，然后利用if-then-else分支结构分别建立散热翅片数为奇数和偶数的模型。3.2 正交试验设计法及模拟结果

正交试验设计法具有完成试验要求所需的实验次数少、数据点分布均匀、可用相应的极差分析方法等对试验结果进行分析等优点[8]。

本文为了缩小模拟的运算规模，分析散热器各结构尺寸变化对其温度场的影响情况，所以设计正交试验对该参数化模型进行多次热分析。把影响最终温度场分布的四个散热器结构参数作为因素，每个因素取5个水平（见表5至表8），以散热器质量和芯片最高温度为试验指标，选取正交表L25（56），

图3 原模型热分析结果图

过程及结果如表4所示。

表4 正交试验模拟结果表

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3.3 结果数据分析

通过表4的结果数据可看出第22号模型的结构最为理想，该模型的芯片最高温度为43.72℃，小于原模型的43.84℃，但其质量仅是原模型的33.40%，因此如果选用该模型，可达到在散热效果基本不变的前提下降低散热器用料、控制成本的目的。

利用极差分析方法对表4中正交试验模拟结果进行分析（见表5~表8），将数据绘图如图4~图7。

表5 翅片厚度对试验指标的极差分析表

翅片间距增加，散热器质量减小，芯片最高温度增加；随翅片高度增加，散热器质量增加，芯片最高温度减小；随平板厚度增加，散热器质量增加，芯片最高温度减小。

表8 平板厚度对试验指标的极差分析表

注：同表5。

注：W为该因素水平对应的散热器质量的平均值；T为该因素水平对应的芯片最高温度的平均值；极差等于各试验指标平均值中的最大值减最小值。

表6 翅片间距对试验指标的极差分析表

图4 翅片厚度-试验指标关系曲线

注：同表5。

表7 翅片高度对试验指标的极差分析表

图5 翅片间距-试验指标关系曲线

注：同表5。

在模拟的范围内，通过对表5~表8中各因素对试验指标的极差进行排队，可得到散热器各结构参数对散热器质量及芯片最高温度影响大小的情况。

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对由表5~表8和图4~图7可得出：随着翅片厚度的增加，散热器质量增加，芯片最高温度增加；随

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对散热器质量的影响由大到小的因素依次为：翅片厚度、平板厚度、翅片高度、翅片间距。对芯片最高温度的影响由大到小的因素依次为：翅片间距、翅片高度、平板厚度、翅片厚度。综上所述，在设计翅片式大功率LED散热结构时，应在合适的范围内使翅片的厚度和间距尽可能小一些，这样可以同时有效地减小散热器的质量，控制芯片的最高温度。

的材料成本将下降近40元，由此可大量降低大功率LED的成本，节约材料。

在对所有的模型进行分析后，发现模型边缘温度较低，而最高温度均出现在同一芯片上，原因是由于需要固定散热器，该芯片底部没有散热翅片。因此考虑利用散热器的边缘作为固定位置，而将原模型缺少的翅片补齐，则最高温度出现在处于整个模型最中间的芯片上，且最高温度仅41.74℃，比原模型低2.1℃，可见原散热器为固定而设计的中间无翅片结构对于散热影响较大。当然还可以考虑其他固定散热器的形式，以避免原模型造成的散热不良的影响。参考文献：

［1］Barbara G. A., David J. B, et al. Assessing Consumer Values

and Supply[Z]. Chain Relationships for Solid-State Light-ing Technologies, 2004.

［2］David G. Pelka, Kavita Patel. An Overview of LED Appli-cations for General Illumination[J]. Proceedings of SPIE,2004, 5（186）: 15-26.

［3］齐昆，陈旭.大功率LED封装界面材料的热分析[J].电子

与封装，2007，7（6）：8-13.

［4］James Petroski. Thermal Challenges Facing New Generation

Light Emitting Diodes（LEDs）for Lighting Applications[J]. Proceedings of SPIE, 2002, 4 776, 215-222.

［5］钱可元，胡飞，吴慧颖.大功率白光LED封装技术的研

究[J].半导体光电，2005, 26（2）：118-120.

［6］张雪粉，陈旭.功率电子散热技术[J].电子与封装，2007，

7（6）：35-39.

［7］博弈创作室. APDL参数化有限元分析技术及其应用实例

[M].北京：中国水利水电出版社，2004.

［8］冯亚云.化工基础实验[M].北京：化学工业出版社，2000.

图6 翅片高度-试验指标关系曲线

图7 平板厚度-试验指标关系曲线

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4 结论及展望

本文利用ANSYS有限元分析软件，对大功率LED进行了热分析，并通过设计正交实验，分析了翅片式铝制热沉各结构参数变化对其温度场的影响情况，并得到了较为理想的散热结构模型。如选用表4中最优的第22号模型，按每吨标准合金压铸铝锭约1.35万元计算，则每个大功率LED路灯散热器

研究。

张　琦（1985-），男，山东广饶人，天津大学化工学院，硕士研究生，主要从事结构热分析及功率电子封装的研究；

陈　旭（1962-），男，浙江衢州人，教授，博导，从事微电子封装及可靠性

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/wuum.html