基于数值模拟的LED键合线热应力分析
廖丹
【摘 要】本文利用icepak软件对LED散热片的温度分布进行了数值模拟，得到功率增加时会使得底面温度近似直线上升，并分析了肋片的厚度、间距和高度对其散热效果的影响。
【关键词】icepak；LED散热片；数值模拟
0 前言
发光二极管，英文全称为Light Emitting Diode（LED），其布局为一个电致发光的半导发体原料，放置在某个架子上，其内安排了引线，继而四周用树脂密封，起到保护里面部件的目的，达到LED的抗震效果比传统的灯泡佳。LED光电转换效能控制在百分之十五至百分之二十之间，剩下的电能几近变换为热能，所以在LED电器作业时，还会发生很多热量需要散发出去，否则会影响LED路灯的使用寿命等。
LED存在严重光衰的现象，关键原因是温度，造成了LED路灯光衰的主要原因。光衰这种失效是指LED发出的光强度不高于新开发的电器，光衰水平早已是评估LED照明商品寿命的重要指数。光衰失效的原因有很多，在这里我们主要讨论温度对光衰的影响。
LED的散热形式有自然对流散发热量、加装电扇强迫散发热量、热管散发热量等[2-3]。其中，电扇强迫对流散热需要安装电扇，对于一些小型LED来说，较为不变，也增加了生产和维护成本；热管散热成本较高，技术还有待开发。因此，用处最多的还是自然对流散热。本文通过icepak对LED的散热片进行了自然对流的数值模拟分析。
1 研究对象
市场上销售的发光二极管路灯一般是把PN结产生的热能经过底座-焊锡-焊铝板电路层-传热绝热层-铝覆铜箔层压板（即铝基板）-传热硅橡胶密封垫片-铝制冷却器，最后在空气中散热，这样的一个过程完成了散热的全部经过。为了满足计算精度和电脑计算资源的需求，在本实验中自然对流换热过程中的大空间为3400×3400×3400mm。
图1所示是发光二极管路灯铝型材散热器，是本文研究的物理模型结构示意图。其结构基板尺寸为240mm×206mm×4mm，肋板厚度是3mm，中间最大的间距为15mm，其余均为10mm，肋板高度从中间到外侧依次为30mm。
2 数值模拟及结论分析
物理模型在仿真模拟的过程中，本文作出如下假定情况：1）忽略辐射传热的影响；2）空气流动是定常；3）空气在散热器壁面处于无滑移的；4）冷却器基板底面看做热源；5）冷却器和空气的物理参数是固定不变的数值；6）冷却器肋板材料均匀，稳态；7）大空间中的空气符合Boussinesq近似；8）冷却器放置在环境温度为为20℃的大空间中。
本模拟网格划分全部由Icepak自带网格处理工具完成。网格数为4.5万，节点为47万，间隙间布置为3，按1：2的比例布置，边界布置为2。面对齐率为0.67（大于0.15）。选用常用的标准к-ε模型湍流模型，5个常数取值分别为：c1=1.44，c2=1.92，c？滋=0.09，？滓k=1.0，？滓？著=1.3[1]。
在迭代求解的过程中，迭代步残差要小于给定量为计算收敛的前提，1e-07是能量残差，连续性值为0.0001。
本模拟的边界条件设置如下：肋片表面为无滑移边界条件，而计算域空间的六个面均设为opening。
当热源功率从30W逐渐增加到110W时，肋板平均温度以及底面最高温度将随之增加，近似线性关系。具体结果见图2所示：
图3显示了数值模拟结果的温度分布及流场示意图，从中可以看出冷却器肋板的温度是分层分布的，与空气接触的顶端散热效果比较理想，温度也比较低，温度梯度也比较小。而随着与底板热源接触的越近，温度较高，温度梯度也比较大。
3 优化分析
为了优化发光二极管路灯散热器的散热构造，本文需要对肋板三个因素进行分析包括：厚度、间距和高度，每个因素设置5个数值。模拟结果如图4所示。
通过本文模拟实验，在30W的热源功率情况下，可以看出肋板厚度对冷却器的散热影响最大，肋板间距次之，最后是肋板的高度。通过以上模拟实验可以的得出，在一定的情况范围内，冷却器的肋板厚度和间距越小，发光二极管路灯的散热效果就越好，反而肋板的高度没什么明显的作用，在本实验中可以看出在尺寸分别是厚度3mm、间距10mm和高度为35mm时散热器模型的散热效果最佳，但是肋板厚度和间距越小的同时也要考虑实际加工过程的困难程度，要从实际出发。
4 结论
本文通过icepak软件对LED散热片的温度分析进行了数值模拟，可以看出当热源功率增加时，肋板平均温度以及底面最高温度将随之增加，并呈现近似线性关系。还通过对比不同的肋片厚度、间距和高度的模拟结果，得出肋板厚度对冷却器的散热影响最大，肋板间距次之，最后是肋板的高度。
【参考文献】
[1]杨世铭，陶文铨.传热学[M].3版.北京：高等教育出版社，2003.
[2]陈启勇.LED路灯散热器自然对流研究[D].重庆大学，2011.
[3]刘静，刘春生.大功率LED照明器的热设计[J].光学与光电技术，2008，6（5）：91-93.
[责任编辑：田吉捷]endprint
