縮減高功率LED開發(fā)之CFD模擬散熱

　　高功率LED的應用日益擴大，但散熱問題仍是廠商頭痛的課題，而現可借由計算動力分析模型進行LED封裝的熱能分析，以降低產品設計初期的復雜度，加快產品上市時間。

　　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、長效壽命，目前正逐漸切入眾多照明應用，不過要如何避免LED過熱，卻是散熱設計工程師必須面對的重大考驗，因此在設計過程中，計算流體動力分析(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驗結果，在進行比較討論后，將提供一個應用在搭配散熱片LED包裝上的溫度模型建立技術，由此看來，采用CFD模型所取得的結果相當可行，同時也展現出此項技術可應用在LED系統(tǒng)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)所帶來的效應。

　　預估LED散熱　簡化產品設計

　　能夠預先推估LED的散熱效能表現，對協助設計工程師有效縮短采用LED產品的上市時間已是不容忽略的事實，不過，當熱能流動與封裝密度越來越高時，LED封裝模塊的散熱設計就變得更加困難，同時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、熱傳導以及熱幅射等相關程序的數值仿真分析。

　　本篇文章提出建立一個帶有散熱片高功率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，接著在LED星形封裝的底部加上散熱片，最后再將仿真結果與實驗數據進行比較。

　　文章的另一個重點則在于TIM對LED封裝帶來的影響，主要目的是用來找出不同接口厚度(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

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

　　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(jié)以及包裝材料的導熱能力

　　圖1分別為LED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，使用標準的自然與強制對流空氣散熱方式，并無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產品ASMT-Mx09。

　　再設定柵格/邊界條件

　　要進行CFD分析，須先假設三維空間、穩(wěn)定狀態(tài)、穩(wěn)定氣流、空氣特性穩(wěn)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個，在柵格數設定上，建議在散熱片每個鰭片間至少使用三個。

　　剖析熱阻/數值/實驗結果

　　接著要計算熱阻、數值分析以及實驗結果。

　　測量介電層以計算熱阻

　　要計算垂直通過芯片的熱阻，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)，其中通過芯片，也就是接面到外部環(huán)境的熱阻Rja可透過方程式(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，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，有助于了解整個散熱路徑。

圖2　上圖為LED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。

　　進行數值分析/實驗結果分析

　　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導熱膠帶黏貼在星形MCPCB背面，封裝以1.2瓦驅動，焊接點的溫度TMetalSlug則透過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(wěn)定時才進行。

圖3　Moonstone LED封裝上的測量點

　　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，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LED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協助LED散熱

　　TIM在幫助LED封裝時，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來進行模擬。

　　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，熱阻的增加會更容易受到熱傳導能力的影響，不過不同熱傳導值、接口厚度間的影響并不明顯。

圖5　TIM對熱阻RJA的影響。

　　兩個實體表面間的空氣間隙會降低熱傳導能力，TIM則可用來將兩個相鄰實體表面黏合并提高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，因此能夠降低這個連接面的溫度差。

　　圖6中的RJA預估值為TIM 1接觸面質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位于整體體積的中心區(qū)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%，同時只在接觸面積區(qū)域為85%時會發(fā)生，此代表夾在TIM 1內部的空隙可高達15%，而不會造成明顯的散熱效能影響，不過，由于模型的一些假設條件，這個預估結果的誤差率有可能達到20%，因此須進行其他實驗來驗證這個數據。

　　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材料來強化散熱效能外，尚有一些可用來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(tǒng)機殼氣流路徑設計加強自然對流冷卻；以及使用主動式冷卻系統(tǒng)，如風扇或導熱管來移除熱空氣，并協助自然對流冷卻。

　　這個研究展現出CFD的模型建立技術如何應用，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際測量的結果，由此可知，CFD是協助設計工程師將高功率LED導入實際應用的良好工具，同時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，接口厚度增加帶來的TIM材質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，同時不會造成明顯的散熱效能影響。