LED芯片分布对散热性能的影响研究
本文针对65×65mm一面设有九颗1×1mm、1W的LED芯片,另一面为肋片的铝制散热片,利用数值法求解三维稳态导热微分方程,利用计算机专用软件计算得到不同LED芯片分布时,散热片芯片表面的温度分布,根据其温度场来分析LED芯片分布对其散热的影响。结果是:九颗芯片集中在一起散热效果最差,芯片之间的距离应达到5mm以上,其芯片温度可降低近5℃以上。  LED照明,由于节能显著,被认为是下一代照明技术。LED冷光源,其光谱中不包含红外部分,而目前LED发光效率仅达到20%,也就是说有80%以上的电能转换成热能。如果热量不能有效散出,芯片的温度上升,会导致光效下降,光衰加剧,严重时烧毁芯片,LED芯片散热是当前LED照明发展中的一大未解决的问题。
  LED芯片的散热过程并不复杂,只是一系列导热过程再加对流换热过程,温度范围不高,属于常温传热,其内的导热过程,完全可以运用计算机专用软件求解三维导热微分方程,计算分析出LED芯片中、散热片内的导热过程,以及散热片外表的对流换热,分析出整个传热过程中主要的热阻在何处,什么原因造成的,可以得到一非常清晰的解,使人们有的放矢。
  但当前LED散热以及同类的半导体芯片散热,都缺少这一基础性和指导性的研究,即使有人做了,但不为众人所知。由此造成当今LED散热技术就像春秋战国时代样,出现采用热管,甚至提出采用回路热管。本文仅从LED芯片分布不同,来研究分析其对散热的影响,将对LED芯片中的设计和制造起着指导性意义。
  1、计算模拟的模型
图1  如图1所示,铝制散热片的一侧面设有9颗1×1mm,1w的芯片,还有0.1mm厚导热系数取4w/(m·k)的绝缘导热层,肋片的总面积为 m2,空气对流换热系数为 =6 w/(m2·k),铝的导热系数取202 w/(m ·k)。为简化计算,不考虑肋片内的导热问题,由肋片散热面简化折算成65×65mm,对流换热系数为 85 w/(m2·k)的对流换热面。也就是求解一侧面为对流换热面( =85w/(m2·k)),另一侧为9颗芯片(1×1mm,1w)的铝块(65×65×3mm)在芯片间距不同时其内部的温度场。

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