缩减高功率LED开发之CFD模拟散热

2015-02-21 16:20:21来源: 互联网 关键字:LED开发  CFD模拟散热
  高功率LED的应用日益扩大,但散热问题仍是厂商头痛的课题,而现可借由计算动力分析模型进行LED封装的热能分析,以降低产品设计初期的复杂度,加快产品上市时间。
 
  高功率、高亮度发光二极管(LED)由于具有良好的色彩饱和度、长效寿命,目前正逐渐切入众多照明应用,不过要如何避免LED过热,却是散热设计工程师必须面对的重大考验,因此在设计过程中,计算流体动力分析(Computational Fluid Dynamic, CFD)模型的重要性也愈益突显。本文中将比较采用星形金属核心印刷电路板(MCPCB)的高功率LED,包装在搭配与未使用散热片情况下的实验结果,在进行比较讨论后,将提供一个应用在搭配散热片LED包装上的温度模型建立技术,由此看来,采用CFD模型所取得的结果相当可行,同时也展现出此项技术可应用在LED系统层级的评估上,文章中并将讨论在LED包装上采用散热接口材料(Thermal Interface Material, TIM)所带来的效应。   

  预估LED散热 简化产品设计   

  能够预先推估LED的散热效能表现,对协助设计工程师有效缩短采用LED产品的上市时间已是不容忽略的事实,不过,当热能流动与封装密度越来越高时,LED封装模块的散热设计就变得更加困难,同时模块的设计与热能分析也更为重要,因此CFD的仿真已成为电子产品设计初期热能分析普遍使用的方法,CFD主要包含有流体流动、热传导以及热幅射等相关程序的数值仿真分析。   

  本篇文章提出建立一个带有散热片高功率LED星形封装的步骤,首先针对采用星形基体的LED封装建立详细的模型,接着在LED星形封装的底部加上散热片,最后再将仿真结果与实验数据进行比较。   

  文章的另一个重点则在于TIM对LED封装带来的影响,主要目的是用来找出不同接口厚度(Bond Line Thickness, BLT)散热接口材料的特性,以及材料中空隙的百分比。   依温度模型建立技术   


  采用星形基体的LED封装使用Flomeric出品的CFD工具Flotherm来建立模型。
   
  模型描述为首要工作   

  首先建立详细的模型,以便找出与实际测量结果间的误差百分比,LED封装的详细尺寸参数以及包装材料的热传导能力参考表1。
  表1 带散热片LED星状包装的结构细节以及包装材料的导热能力

  图1分别为LED封装的前视图与布局安排,封装与基体间加入焊膏,当包装达到1.3瓦的最大功率时,使用标准的自然与强制对流空气散热方式,并无法将接面温度维持在125℃以下的可接收范围内,因此须加上散热片以能符合目标温度的要求,要将散热片封装在LED上,首先要把导热胶带黏贴在散热片后端,接着将散热片封装在LED基体的底部。 

   图1 上图为安华高科技Moonstone星形包装功率LED ASMT-Mx09的前视图与侧视图。下图为采用星形包装的LED产品ASMT-Mx09。

  再设定栅格/边界条件   

  要进行CFD分析,须先假设三维空间、稳定状态、稳定气流、空气特性稳定、环境温度为25℃、计算范围为305毫米×305毫米×305毫米,以及散热方式透过自然散热、热传导与热辐射的条件。   
详细散热片模型的基体LED包装整体栅格数大约为二十万个,在栅格数设定上,建议在散热片每个鳍片间至少使用三个。 
  
  剖析热阻/数值/实验结果
   
  接着要计算热阻、数值分析以及实验结果。   

  测量介电层以计算热阻   

  要计算垂直通过芯片的热阻,须测量芯片黏合层、芯片垫片、TIM、散热片以及与基体间的介电层,每阶层都各自拥有自己的导热特性(表2),其中通过芯片,也就是接面到外部环境的热阻Rja可透过方程式(1)、(2)加以计算:
  
  其中RJ-MS=10 ℃/W   
  Rja代表热能由LED芯片传递到外界的能力,也就是说,Rja的数值越低、散热效能越好,图2分别显示封装结构的3D、2D横切面图,有助于了解整个散热路径。 


 
图2 上图为LED星状包装的3D剖面图,下图为带散热片LED星状封装的2D剖面图。

  进行数值分析/实验结果分析   

  安排在MCPCB上的LED封装通常采用铝挤方式做为基底,一百一十根鳍片的鳍片型散热片则透过导热胶带黏贴在星形MCPCB背面,封装以1.2瓦驱动,焊接点的温度TMetalSlug则透过安排在封装散热块上的热电偶加以测量(图3),测量只有在温度到达稳定时才进行。 


 
图3 Moonstone LED封装上的测量点

  表2为仿真模型结果与测量数据的比较,可视化仿真结果分别显示在图4,当仿真结果温度高于测量温度时,代表数值模型忽略部分的冷却现象。 
  表2 仿真结果与测量数据的比较

 

  图4 上图为LED星形封装的可视化模拟结果,下图为详细散热片模型的MCPCB LED封装可视化仿真结果。

  TIM协助LED散热

  TIM在帮助LED封装时,将热能传导到电路板或散热片上扮演相当重要的角色,在图2中,TIM 1位于LED封装与基体间,使用不同的热传导值以及不同的BLT来进行模拟。   

  由图5中可看出,带散热片基体Moonstone封装的接口厚度越厚,接口热阻受到TIM 1材料热传导能力的影响就越明显,图中显示,当接口厚度提高时,热阻的增加会更容易受到热传导能力的影响,不过不同热传导值、接口厚度间的影响并不明显。 

 
图5 TIM对热阻RJA的影响。

  两个实体表面间的空气间隙会降低热传导能力,TIM则可用来将两个相邻实体表面黏合并提高LED散热块(发热源)与金属核心PCB/FR4 PCB(散热片)间的接触面积,因此能够降低这个连接面的温度差。   

  图6中的RJA预估值为TIM 1接触面质量对散热效能影响的数值模拟研究结果,其中假设唯一的空隙点位于整体体积的中心区域。 


 
图6 TIM 1接触面积百分比大小对RJA的影响。

  RJA最高大约增加2%,同时只在接触面积区域为85%时会发生,此代表夹在TIM 1内部的空隙可高达15%,而不会造成明显的散热效能影响,不过,由于模型的一些假设条件,这个预估结果的误差率有可能达到20%,因此须进行其他实验来验证这个数据。  

  表3列出TIM材料的特性以及可用性,这些TIM材料在市场相当普遍,各有其优劣势。
  
 
  提高散热效能方案纷出炉   

  除了使用TIM材料来强化散热效能外,尚有一些可用来改善散热能力设计的方法,包括散热片的尺寸、表面结构以及面向的安排;采用系统机壳气流路径设计加强自然对流冷却;以及使用主动式冷却系统,如风扇或导热管来移除热空气,并协助自然对流冷却。 

  这个研究展现出CFD的模型建立技术如何应用,以模拟带散热片的LED星形封装,结果清楚地显示,仿真模型可提供相当符合实际测量的结果,由此可知,CFD是协助设计工程师将高功率LED导入实际应用的良好工具,同时它的误差百分比也在工业应用可接受的范围内。   

  此外,热阻的增加较易受到接触面积的影响,接口厚度增加带来的TIM材质热传导能力则较不明显,而TIM 1内部高达15%的空隙为可接受的范围,同时不会造成明显的散热效能影响。 

关键字:LED开发  CFD模拟散热

编辑:探路者 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/LED/2015/0221/article_11781.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

上一篇:大功率LED散热将更多地采用主动冷却方案
下一篇:LED倒装芯片设计的布线技术解析(上)

论坛活动 E手掌握
关注eeworld公众号
快捷获取更多信息
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
LED开发
CFD模拟散热

小广播

热门关键词

独家专题更多

东芝在线展会——芯科技智社会创未来
东芝在线展会——芯科技智社会创未来
2017东芝PCIM在线展会
2017东芝PCIM在线展会
TI车载信息娱乐系统的音视频解决方案
TI车载信息娱乐系统的音视频解决方案
汇总了TI汽车信息娱乐系统方案、优质音频解决方案、汽车娱乐系统和仪表盘参考设计相关的文档、视频等资源

颜工专栏

LED专区

现任华润矽威科技(上海)有限公司市场部经理/高工,上海市传感技术学会理事、副秘书长。

电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2017 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved