基于ANSYS的LED燈具熱分析.doc

電氣照明2009 年第 5 期基于 ANSYS 的 LED 燈具熱分析南京漢德森科技股份有限公司饒連江摘要：大功率高亮度發(fā)光二極管（LED）以其節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)等出色性能逐漸滲透到 現(xiàn)代照明中，業(yè)界專(zhuān)家預(yù)測(cè)在 21 世紀(jì)上半葉，以 LED 為代表的新型光源將會(huì)逐步發(fā)展成為 電光源的主流產(chǎn)品。然而，LED 照明仍面臨著幾大難題：發(fā)光效率、顯色指數(shù)、結(jié)構(gòu)散熱等。 高溫對(duì) LED 發(fā)光質(zhì)量和使用壽命影響巨大，從設(shè)計(jì)上說(shuō)，防止過(guò)熱是最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)之一。 因此，使用計(jì)算機(jī)輔助分析結(jié)合實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)模擬 LED 組件的工作性能變得越來(lái)越重要。 關(guān)鍵詞：ANSYS、LED、CAE、熱分析Thermal Analysis for LED Lump Based on ANSYSAbstract: High-power high-brightness light-emitting diode (LED) for its energy-saving, environmental protection, long life and other outstanding performance penetrate gradually into modern lighting. LED experts predict that half of the 21st century LED lighting will be gradually developed as the main products of the power light. However, LED lighting is still facing several big challenges: light-emitting efficiency, color rendering index, structure of thermal and so on. High temperature on the LED light-emitting enormous impact on the quality and service life, from the design that prevent the overheating is the most challenging tasks. Therefore, the use of computer-aided analysis combined with experimental methods to simulate the working performance of LED lump becomes increasingly important.Key Words: ANSYS、LED、CAE、heat-analysis一、引言：大功率高亮度發(fā)光二極管（LED）是 21 世紀(jì)最具發(fā)展前景的一種新型冷光源。它的發(fā) 光機(jī)理是靠 PN 結(jié)中的電子在能帶間躍遷產(chǎn)生光能，當(dāng)它在外加電場(chǎng)作用下，電子與空穴的 輻射復(fù)合發(fā)生電致作用將一部分能量轉(zhuǎn)化為光能，而無(wú)輻射復(fù)合產(chǎn)生的晶格震蕩將其余的能 量轉(zhuǎn)化為熱能。由于光譜中不含紅外成分，產(chǎn)生的熱量不能靠輻射散發(fā)，故稱(chēng) LED 為冷光 源。目前 LED 的發(fā)光效率只有 10%25%，其余的能量轉(zhuǎn)化為熱能，如果 LED 芯片中的熱 量不能及時(shí)散發(fā)出去，會(huì)加速器件的老化，一旦 LED 的溫度超過(guò)最高臨界溫度，往往會(huì)造 成 LED 永久性失效。據(jù)報(bào)道，LED 在 30下工作的壽命比在 70下工作時(shí)長(zhǎng) 20 倍1，因 此散熱技術(shù)是 LED 燈具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。熱交換是通過(guò)導(dǎo)熱、對(duì)流換熱和輻射換熱三種基本方式進(jìn)行的，可分為瞬態(tài)熱交換和 穩(wěn)態(tài)熱交換。一般來(lái)說(shuō)，工程分析中可不考慮輻射換熱。對(duì)于連續(xù)介質(zhì)，設(shè)某一時(shí)刻t ，物 體內(nèi)所有各點(diǎn)在直角坐標(biāo)系中的溫度場(chǎng)為 t=f( x, y, z,t )，導(dǎo)熱的微分方程可表達(dá)如下：8rc t= (l t ) + (l t ) + (l t ) + F （1）txxyyzz式中 r 為密度，單位 kg/m； c 為比熱容，單位 J/(kg.K)；l 為熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)），單位為W/(m.K)； F 為內(nèi)熱源強(qiáng)度，單位 W/m。 對(duì)于連續(xù)介質(zhì)，二維對(duì)流換熱的能量微分方程如下：trcpt+ u tx+ v ty+ t( ux+ vy) = l(2tx22t+y2) （2）式中 cp 為比定壓熱容，對(duì)于固體和不可壓縮流體，cp = c ；u, v 分別為 x, y 方向的速度2。 上述熱交換的矩陣形式如下：C(T )T +K (T )T = Q(T ) （3）式中C(T ) 為比熱矩陣；K (T ) 為傳導(dǎo)矩陣，包含導(dǎo)熱系數(shù)和對(duì)流系數(shù)；T為節(jié)點(diǎn)溫度向量；T 為溫度對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)；Q(T ) 為節(jié)點(diǎn)熱流向量。二、分析項(xiàng)目描述：1. 燈體描述：圖 1LED 燈具模型圖 2簡(jiǎn)化模型 分析模型是一款某大型公司的 LED 燈具，外形規(guī)格4838，安裝 3 顆 1W 的標(biāo)準(zhǔn) LED，安裝直徑12（均布）。2. 燈體模型簡(jiǎn)化：為了節(jié)省計(jì)算機(jī)資源的開(kāi)支，由燈具的對(duì)稱(chēng)性，取 1/3 模型進(jìn)行簡(jiǎn)化分析（圖 2），單顆LED 的封裝結(jié)構(gòu)及元器件組成見(jiàn)圖 3 和圖 4：圖 3LED 封裝結(jié)構(gòu)圖圖 4單顆 LED 組成圖 簡(jiǎn)化后的模型包括：燈體、鋁基板、熱沉和 LED 發(fā)光芯片。LED 封裝的塑料部分（熱阻很大）、透鏡、襯底及細(xì)導(dǎo)線等可省略。根據(jù)文獻(xiàn)，1W 單顆 LED 熱輻射帶走的熱量約為總熱量的 1.63%，只考慮熱傳導(dǎo)與對(duì)流， 改變不同封裝填充材料，對(duì)熱導(dǎo)溫度的降低影響不大（即使找到一種熱導(dǎo)率高達(dá) 7 W/m.K 的環(huán)氧樹(shù)脂成分封裝材料時(shí)，相比使用熱導(dǎo)率僅為 0.25 W/m.K 的環(huán)氧樹(shù)脂成分封裝材料時(shí)， 芯片溫度下降不多，鋁基板溫度只下降了 2.271，實(shí)際上，熱導(dǎo)率超過(guò) 7 W/m.K 以上可商 業(yè)化的透明硅樹(shù)脂封裝材料目前尚無(wú)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)）3，LED 芯片通過(guò)銀膠與熱沉導(dǎo)熱，熱沉 與鋁基板及鋁基板與燈杯均通過(guò)硅膠導(dǎo)熱，元件緊密結(jié)合，通常硅膠結(jié)合厚度為 um 級(jí)。為 便于分析，可以忽略銀膠和硅膠的影響。LED 熱沉材料常采用鍍銀銅，考慮到銅材純度及銀 膠對(duì)熱導(dǎo)的影響，實(shí)際導(dǎo)熱系數(shù)比銅略低。LED 芯片的熱承受力不大于 110，考慮安全裕度（一般取為 1015），芯片 PN 結(jié)溫 度不得大于 95，實(shí)際應(yīng)用中，為了延長(zhǎng) LED 的使用壽命，結(jié)溫一般控制在 70以下，該 值也常作為熱設(shè)計(jì)的參考閥值，之后，溫度每升高 10，壽命約降低一半。建立有限元模型時(shí)，考慮到網(wǎng)格劃分，刪除了對(duì)結(jié)果影響不大的圓角、小孔和部分小特 征。3. 若干關(guān)鍵問(wèn)題討論：（1）燈體材料： 燈體材料的選擇主要考慮材料的導(dǎo)熱能力、價(jià)格及工藝性。導(dǎo)熱系數(shù)的大小表明金屬導(dǎo)熱能力的大小，導(dǎo)熱系數(shù)越大，熱阻越低，導(dǎo)熱能力越強(qiáng)，導(dǎo)熱系數(shù)的大小通常是通過(guò)實(shí)驗(yàn) 的方法來(lái)確定的。在金屬材料中，鉆石和銀的導(dǎo)熱系數(shù)最高(見(jiàn)表 1)，但成本太高；純銅其 次，但加工不容易。LED 散熱燈殼一般采用鋁合金 6063T5，這是因?yàn)殇X合金的加工性好(純 鋁由于硬度不足，很難進(jìn)行切削加工)、表面處理容易、成本低廉，通常由壓鑄或擠壓成型， 實(shí)驗(yàn)表明，熱導(dǎo)率約為純鋁的 1/2，隨著溫度上升，鋁合金的熱導(dǎo)系數(shù)呈增大的趨勢(shì)，分析 中忽略了鋁合金熱導(dǎo)系數(shù)隨溫度的變化。表 1 金屬導(dǎo)熱系數(shù)表名稱(chēng)導(dǎo)熱系數(shù)（W/m.K）鉆石2300銀429銅401金317鋁237鎂156鋅121鐵80錫67鉛34.8（2）空氣對(duì)流系數(shù)：熱交換過(guò)程廣泛地存在于管內(nèi)自然或強(qiáng)迫對(duì)流流動(dòng)、氣體外掠平板等其它現(xiàn)象中。由于 熱交換的計(jì)算關(guān)聯(lián)式很難給出比較精確的計(jì)算結(jié)果，并且使用時(shí)很容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，所以通常 情況下我們建議使用一些經(jīng)驗(yàn)的數(shù)據(jù)4?？諝鈱?duì)流系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式如下：內(nèi)表面： h = 2.5 + 4.2v(4)外表面： h = (2.5 6.0) + 4.2v(5)式中 h 為空氣對(duì)流系數(shù)，v 為空氣流速。一塊 0.2m水平放置的平板，在自然對(duì)流情況下與空氣的對(duì)流換熱系數(shù)大約為 5W/mK， 在空氣流速為 3m/s 的強(qiáng)迫對(duì)流情況下與空氣的對(duì)流換熱系數(shù)大約為 15W/mK4，考慮到該 款 LED 燈多用于室內(nèi)封閉環(huán)境，燈具外部對(duì)流系數(shù)取為 5W/mK，燈具內(nèi)部對(duì)流環(huán)境取為 2.5W/mK，CAE 分析時(shí)取燈具的環(huán)境溫度為室溫 25。（3）發(fā)熱量：散熱問(wèn)題是功率型 LED 需要解決的一個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題，散熱效果的優(yōu)劣直接關(guān)系到器件的可 靠性。大家知道，增加 LED 的輸入功率，LED 的亮度會(huì)成比例地增強(qiáng)，但由于 LED 的效率遠(yuǎn) 遠(yuǎn)低于 100%，目前功率型 LED 只能將少數(shù)部分電能轉(zhuǎn)化為光能，而剩下的約 80%的能量轉(zhuǎn)換 為熱能，考慮電源發(fā)熱、輻射換熱及其他能量交換，綜合實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)，發(fā)熱量可取為 LED 標(biāo)稱(chēng)功率的 80%，本模型中的發(fā)熱量約為 0.8W，芯片標(biāo)稱(chēng)尺寸為 110.25mm，發(fā)熱率為 3.2W/mm，為了模擬芯片均勻發(fā)熱，芯片的熱阻取為一個(gè)較小值。三、ANSYS 分析及實(shí)驗(yàn)測(cè)試熱分析有限元軟件采用在 CAE（Computer Aided Engineering）行業(yè)領(lǐng)先的 ANSYS 軟件。 ANSYS 軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。 由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó) ANSYS 開(kāi)發(fā)，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí) CAD 工具之一。程序可處理熱傳遞的三種基本類(lèi)型：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射，熱傳遞的三種 類(lèi)型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析5。本次進(jìn)行的是穩(wěn)態(tài)熱交換分析。ANSYS 有限元分析結(jié)果主要包括溫度分布、溫度梯度及熱流密度（圖 5-8）。圖 5溫度分布圖 6溫度分布關(guān)鍵點(diǎn)值圖 7溫度梯度圖 8熱流密度我們選擇了 3 個(gè)樣品進(jìn)行溫度測(cè)試（測(cè)試點(diǎn)見(jiàn)圖 9），光源分別為 Cree（2 個(gè)）和 Handson（1 個(gè)），測(cè)試設(shè)備為多點(diǎn)溫度巡檢儀（型號(hào) TMP-2，如圖 10），采用熱電偶溫度測(cè)試原理， 測(cè)試結(jié)果如表 2，測(cè)試環(huán)境為室溫 26.9，密閉房間。圖 9燈具測(cè)試點(diǎn)示意圖圖 10多點(diǎn)溫度巡檢儀 TMP-2 表 2LED 燈體溫度測(cè)試結(jié)果測(cè)試項(xiàng)目引腳/外殼 1/外殼 2/外殼 3/Cree 1#69.557.858.656.8Cree 2#66.858.359.455.4Handson 3#69.05858.656.9四、結(jié)果分析：ANSYS 分析結(jié)果顯示，最高溫度出現(xiàn)在芯片及引腳部位，為 66.27（在閥值 70范圍 內(nèi)），最低溫度為燈具外殼大端面處（外殼點(diǎn) 3），為 53.82，一般來(lái)說(shuō)，LED 燈具的外 殼設(shè)計(jì)溫度須低于 60。分析結(jié)果也顯示了溫度梯度及熱傳遞矢量，可用于指導(dǎo)燈具元件 的布局。熱通主要集中在熱沉和鋁基板的結(jié)合區(qū)域，為熱導(dǎo)的主要通道，更換不同廠商的光 源，在相同的燈具功率下，溫度分布及其溫度梯度差異不大，與設(shè)計(jì)時(shí)的 CAE 分析結(jié)果對(duì)比 如下：表 3實(shí)驗(yàn)測(cè)試溫度與 CAE 分析結(jié)果對(duì)比項(xiàng)目環(huán)境引腳溫度/外殼溫度/CAE 分析25.0，密閉66.2754.37854.00453.856實(shí)測(cè) 1#26.9，密閉69.557.858.656.8實(shí)測(cè) 2#26.9，密閉66.858.359.455.4實(shí)測(cè) 3#26.9，密閉69.05858.656.9ANSYS 分析是在室溫 25的密封環(huán)境下，外殼最低溫度為 53.82，中心溫度 66.27， 換算到測(cè)試溫度（26.9）下分別約 55.7、68.2。考慮到測(cè)試設(shè)備、測(cè)試環(huán)境和有限 元模型的簡(jiǎn)化，存在一定的誤差，最大誤差為 3.5，中心引腳和外殼溫度最大誤差率分別 為：69.5 - 68.2 100% = 1.91%68.2(6)59.4 - 55.904 100% = 6.25%55.904(7)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的外殼溫度存在一定的溫度梯度，導(dǎo)致該現(xiàn)象的主要原因?yàn)殡娐钒l(fā)熱，在測(cè)試 點(diǎn) 1 的內(nèi)腔安裝有恒流源驅(qū)動(dòng)電路模塊，電路模塊發(fā)熱，會(huì)使測(cè)試點(diǎn) 1 和它附近的點(diǎn) 2 溫度升高。而測(cè)試點(diǎn) 3 遠(yuǎn)離電路模塊，所以與仿真值更為接近，最大誤差僅為： 56.9-（53.856+1.9）=1.144(8) 最大誤差率為：56.9 - (53.856 + 1.9) 100% = 2.05% (9)53.856 + 1.9利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真分析，在設(shè)計(jì)時(shí)，我們就能比較準(zhǔn)確的把握產(chǎn)品的溫度分布情況， 針對(duì)溫升比較集中的地方進(jìn)行散熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)、優(yōu)化，滿足客戶和設(shè)計(jì)的需求，從而提升產(chǎn)品 的質(zhì)量和性能