縮減高功率LED開(kāi)發(fā)之CFD模擬散熱

　　高功率LED的應用日益擴大，但散熱問(wèn)題仍是廠(chǎng)商頭痛的課題，而現可借由計算動(dòng)力分析模型進(jìn)行LED封裝的熱能分析，以降低產(chǎn)品設計初期的復雜度，加快產(chǎn)品上市時(shí)間。

　　高功率、高亮度發(fā)光二極管(LED)由于具有良好的色彩飽和度、長(cháng)效壽命，目前正逐漸切入眾多照明應用，不過(guò)要如何避免LED過(guò)熱，卻是散熱設計工程師必須面對的重大考驗，因此在設計過(guò)程中，計算流體動(dòng)力分析(Computational Fluid Dynamic, CFD)模型的重要性也愈益突顯。本文中將比較采用星形金屬核心印刷電路板(MCPCB)的高功率LED，包裝在搭配與未使用散熱片情況下的實(shí)驗結果，在進(jìn)行比較討論后，將提供一個(gè)應用在搭配散熱片LED包裝上的溫度模型建立技術(shù)，由此看來(lái)，采用CFD模型所取得的結果相當可行，同時(shí)也展現出此項技術(shù)可應用在LED系統層級的評估上，文章中并將討論在LED包裝上采用散熱接口材料(Thermal Interface Material, TIM)所帶來(lái)的效應。

　　預估LED散熱　簡(jiǎn)化產(chǎn)品設計

　　能夠預先推估LED的散熱效能表現，對協(xié)助設計工程師有效縮短采用LED產(chǎn)品的上市時(shí)間已是不容忽略的事實(shí)，不過(guò)，當熱能流動(dòng)與封裝密度越來(lái)越高時(shí)，LED封裝模塊的散熱設計就變得更加困難，同時(shí)模塊的設計與熱能分析也更為重要，因此CFD的仿真已成為電子產(chǎn)品設計初期熱能分析普遍使用的方法，CFD主要包含有流體流動(dòng)、熱傳導以及熱幅射等相關(guān)程序的數值仿真分析。

　　本篇文章提出建立一個(gè)帶有散熱片高功率LED星形封裝的步驟，首先針對采用星形基體的LED封裝建立詳細的模型，接著(zhù)在LED星形封裝的底部加上散熱片，最后再將仿真結果與實(shí)驗數據進(jìn)行比較。

　　文章的另一個(gè)重點(diǎn)則在于TIM對LED封裝帶來(lái)的影響，主要目的是用來(lái)找出不同接口厚度(Bond Line Thickness, BLT)散熱接口材料的特性，以及材料中空隙的百分比。

　　依溫度模型建立技術(shù)

　　采用星形基體的LED封裝使用Flomeric出品的CFD工具Flotherm來(lái)建立模型。

　　模型描述為首要工作

　　首先建立詳細的模型，以便找出與實(shí)際測量結果間的誤差百分比，LED封裝的詳細尺寸參數以及包裝材料的熱傳導能力參考表1。
　　表1　帶散熱片LED星狀包裝的結構細節以及包裝材料的導熱能力

　　圖1分別為L(cháng)ED封裝的前視圖與布局安排，封裝與基體間加入焊膏，當包裝達到1.3瓦的最大功率時(shí)，使用標準的自然與強制對流空氣散熱方式，并無(wú)法將接面溫度維持在125℃以下的可接收范圍內，因此須加上散熱片以能符合目標溫度的要求，要將散熱片封裝在LED上，首先要把導熱膠帶黏貼在散熱片后端，接著(zhù)將散熱片封裝在LED基體的底部。

　　圖1　上圖為安華高科技Moonstone星形包裝功率LED ASMT-Mx09的前視圖與側視圖。下圖為采用星形包裝的LED產(chǎn)品ASMT-Mx09。

　　再設定柵格/邊界條件

　　要進(jìn)行CFD分析，須先假設三維空間、穩定狀態(tài)、穩定氣流、空氣特性穩定、環(huán)境溫度為25℃、計算范圍為305毫米×305毫米×305毫米，以及散熱方式透過(guò)自然散熱、熱傳導與熱輻射的條件。
詳細散熱片模型的基體LED包裝整體柵格數大約為二十萬(wàn)個(gè)，在柵格數設定上，建議在散熱片每個(gè)鰭片間至少使用三個(gè)。

　　剖析熱阻/數值/實(shí)驗結果

　　接著(zhù)要計算熱阻、數值分析以及實(shí)驗結果。

　　測量介電層以計算熱阻

　　要計算垂直通過(guò)芯片的熱阻，須測量芯片黏合層、芯片墊片、TIM、散熱片以及與基體間的介電層，每階層都各自擁有自己的導熱特性(表2)，其中通過(guò)芯片，也就是接面到外部環(huán)境的熱阻Rja可透過(guò)方程式(1)、(2)加以計算：
　　
　　其中RJ-MS＝10 ℃/W
　　Rja代表熱能由LED芯片傳遞到外界的能力，也就是說(shuō)，Rja的數值越低、散熱效能越好，圖2分別顯示封裝結構的3D、2D橫切面圖，有助于了解整個(gè)散熱路徑。

圖2　上圖為L(cháng)ED星狀包裝的3D剖面圖，下圖為帶散熱片LED星狀封裝的2D剖面圖。

　　進(jìn)行數值分析/實(shí)驗結果分析

　　安排在MCPCB上的LED封裝通常采用鋁擠方式做為基底，一百一十根鰭片的鰭片型散熱片則透過(guò)導熱膠帶黏貼在星形MCPCB背面，封裝以1.2瓦驅動(dòng)，焊接點(diǎn)的溫度TMetalSlug則透過(guò)安排在封裝散熱塊上的熱電偶加以測量(圖3)，測量只有在溫度到達穩定時(shí)才進(jìn)行。

圖3　Moonstone LED封裝上的測量點(diǎn)

　　表2為仿真模型結果與測量數據的比較，可視化仿真結果分別顯示在圖4，當仿真結果溫度高于測量溫度時(shí)，代表數值模型忽略部分的冷卻現象。
　　表2　仿真結果與測量數據的比較

　　圖4　上圖為L(cháng)ED星形封裝的可視化模擬結果，下圖為詳細散熱片模型的MCPCB LED封裝可視化仿真結果。

　　TIM協(xié)助LED散熱

　　TIM在幫助LED封裝時(shí)，將熱能傳導到電路板或散熱片上扮演相當重要的角色，在圖2中，TIM 1位于LED封裝與基體間，使用不同的熱傳導值以及不同的BLT來(lái)進(jìn)行模擬。

　　由圖5中可看出，帶散熱片基體Moonstone封裝的接口厚度越厚，接口熱阻受到TIM 1材料熱傳導能力的影響就越明顯，圖中顯示，當接口厚度提高時(shí)，熱阻的增加會(huì )更容易受到熱傳導能力的影響，不過(guò)不同熱傳導值、接口厚度間的影響并不明顯。

圖5　TIM對熱阻RJA的影響。

　　兩個(gè)實(shí)體表面間的空氣間隙會(huì )降低熱傳導能力，TIM則可用來(lái)將兩個(gè)相鄰實(shí)體表面黏合并提高LED散熱塊(發(fā)熱源)與金屬核心PCB/FR4 PCB(散熱片)間的接觸面積，因此能夠降低這個(gè)連接面的溫度差。

　　圖6中的RJA預估值為T(mén)IM 1接觸面質(zhì)量對散熱效能影響的數值模擬研究結果，其中假設唯一的空隙點(diǎn)位于整體體積的中心區域。

圖6　TIM 1接觸面積百分比大小對RJA的影響。

　　RJA最高大約增加2%，同時(shí)只在接觸面積區域為85%時(shí)會(huì )發(fā)生，此代表夾在TIM 1內部的空隙可高達15%，而不會(huì )造成明顯的散熱效能影響，不過(guò)，由于模型的一些假設條件，這個(gè)預估結果的誤差率有可能達到20%，因此須進(jìn)行其他實(shí)驗來(lái)驗證這個(gè)數據。

　　表3列出TIM材料的特性以及可用性，這些TIM材料在市場(chǎng)相當普遍，各有其優(yōu)劣勢。
　　

　　提高散熱效能方案紛出爐

　　除了使用TIM材料來(lái)強化散熱效能外，尚有一些可用來(lái)改善散熱能力設計的方法，包括散熱片的尺寸、表面結構以及面向的安排；采用系統機殼氣流路徑設計加強自然對流冷卻；以及使用主動(dòng)式冷卻系統，如風(fēng)扇或導熱管來(lái)移除熱空氣，并協(xié)助自然對流冷卻。

　　這個(gè)研究展現出CFD的模型建立技術(shù)如何應用，以模擬帶散熱片的LED星形封裝，結果清楚地顯示，仿真模型可提供相當符合實(shí)際測量的結果，由此可知，CFD是協(xié)助設計工程師將高功率LED導入實(shí)際應用的良好工具，同時(shí)它的誤差百分比也在工業(yè)應用可接受的范圍內。

　　此外，熱阻的增加較易受到接觸面積的影響，接口厚度增加帶來(lái)的TIM材質(zhì)熱傳導能力則較不明顯，而TIM 1內部高達15%的空隙為可接受的范圍，同時(shí)不會(huì )造成明顯的散熱效能影響。