LED芯片分布對散熱性能的影響研究

　　本文針對65×65mm一面設有九顆1×1mm、1W的LED芯片，另一面為肋片的鋁制散熱片，利用數值法求解三維穩態導熱微分方程，利用計算機專用軟件計算得到不同LED芯片分布時，散熱片芯片表面的溫度分布，根據其溫度場來分析LED芯片分布對其散熱的影響。結果是：九顆芯片集中在一起散熱效果最差，芯片之間的距離應達到5mm以上，其芯片溫度可降低近5℃以上。

　　LED照明，由于節能顯著，被認為是下一代照明技術。LED是冷光源，其光譜中不包含紅外部分，而目前LED發光效率僅達到20%，也就是說有80%以上的電能轉換成熱能。如果熱量不能有效散出，芯片的溫度上升，會導致光效下降，光衰加劇，嚴重時燒毀芯片，LED芯片散熱是當前LED照明發展中的一大未解決的問題。

　　LED芯片的散熱過程并不復雜，只是一系列導熱過程再加對流換熱過程，溫度范圍不高，屬于常溫傳熱，其內的導熱過程，完全可以運用計算機專用軟件求解三維導熱微分方程，計算分析出LED芯片中、散熱片內的導熱過程，以及散熱片外表的對流換熱，分析出整個傳熱過程中主要的熱阻在何處，什么原因造成的，可以得到一非常清晰的解，使人們有的放矢。

　　但當前LED散熱以及同類的半導體芯片散熱，都缺少這一基礎性和指導性的研究，即使有人做了，但不為眾人所知。由此造成當今LED散熱技術就像春秋戰國時代樣，出現采用熱管，甚至提出采用回路熱管。本文僅從LED芯片分布不同，來研究分析其對散熱的影響，將對LED芯片中的設計和制造起著指導性意義。

　　1、計算模擬的模型

圖1

　　如圖1所示，鋁制散熱片的一側面設有9顆1×1mm，1w的芯片，還有0.1mm厚導熱系數取4w/(mmiddot;k)的絕緣導熱層，肋片的總面積為 m2，空氣對流換熱系數為 =6 w/（m2·k），鋁的導熱系數取202 w/(m ·k)。為簡化計算，不考慮肋片內的導熱問題，由肋片散熱面簡化折算成65×65mm，對流換熱系數為 85 w/（m2·k）的對流換熱面。也就是求解一側面為對流換熱面( =85w/（m2·k）)，另一側為9顆芯片(1×1mm，1w)的鋁塊（65×65×3mm）在芯片間距不同時其內部的溫度場。

　求解方程：

　　即為三維穩態導熱微分方程，通常稱為拉普拉斯方程式。利用專用的計算軟件求解。

　　2、計算結果

　　圖2為：不同芯片間距，LED芯片所處的散熱片金屬表面，過中心點的溫度分布。

　　芯片間距L取1mm、2.5mm、5mm、7.5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm。

　　當L=1mm時，即9顆LED芯片集中在一起，之間沒間隙。

　　表1列不同芯片間距，LED芯片所處散熱片金屬表面中心點（也即溫度最高點）的溫度值及其差別。以上計算中環境溫度取40℃（313K）。

　　3、分析

　　從圖2和表1中可清楚地看：當把9顆LED芯片集中在一起（芯片間距L=1mm）時，中心點（芯片所處的溫度最高點）溫度最高，也就是散熱效果最差。當芯片間距增加1.5mm（L=2.5mm）時，最高點溫度就下降3.1℃，芯片間距增加4mm（L=5mm）時，最高點溫度下降4.8℃。當芯片間距為L=7.5mm時，最高點溫度下降5.6℃。當芯片間距L=10mm時，溫度下降6.1℃。當芯片間距L=20mm時，溫度下降7.2℃。在間距L=10mm內溫度降低顯著。

　　4、結果

　　（1）LED芯片分布對散熱有很大影響，應該將LED芯片分散開。

　　（2）對于1×1mm，1w的LED芯片，芯片間距取5~10mm為佳。