第43卷第3期電力電子技術(shù)Vol 43009年3月Power ElectronicsMarch基于熱管散熱的LED器件封裝熱分析魯祥友’,華澤釗',謝遠(yuǎn)來2,劉美靜(1.上海理工大學(xué),上海20093;2中國科學(xué)院等離子體物理研究所,安徽合肥230031)摘要:大功率發(fā)光二極管( Light Emitting Diode,簡稱IED)結(jié)點溫度的高低直接影響到LED的壽命和可靠性,故保持LED結(jié)溫在允許的范圍內(nèi),是大功率LED封裝和應(yīng)用必須解決的核心問題。提出將扁平熱管應(yīng)用在大功率LED的散熱上;比較了扁平熱管和銅板兩種散熱方式下LED的結(jié)點溫度和熱阻的熱特性。研究結(jié)果表明,在輸入功率為3W時,熱管冷卻LED的結(jié)點溫度為52℃,而銅板冷卻LED的結(jié)點溫度為83℃,對應(yīng)的系統(tǒng)總熱阻分別為88KW和19KW。由此證明,在大功率條件下,熱管的散熱能力明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的銅板散熱。關(guān)鍵詞:發(fā)光二極管;封裝;熱管/結(jié)點溫度中圖分類號:TN3I2,TK124文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1000-100X(2009)03-0073-0Thermal Analysis of LED Packages based on Heat Pipe Heat SinkLU Xiang-you', HUA Ze-zhao, XIE Yuan-lai2, LIU Mei-jing(1. University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China2.Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)Abstract: The junction temperature of high-power light emitting diode(LED)has directly influence upon the life time andliability of high power LED, so keeping the junction temperature of LEd in the given range is a key issue being dealtwith during device packing and application of high power LED A new type structure fattened heat pipe cooling device forhigh power LED is brought forward. The thermal conductivity including junction temperature and thermal resistance of LEDis studied in different heat dissipation modes under the same test condition. The obtained results indicate that the junctiontemperature of LED is about 52 C and 83 C for using the heat sink of flattened heat pipe and copper plate respectivelywhen the input power is 3 W, and correspondingly the total thermal resistance of LED system is 8.8 K/W and 19 K/W re-pectively. The heat dissipation property of flattened heat pipe is more excellent than the cooper plate's in the condition ofgh input power.Keywords: light emitting diode; packing; heat pipe/ junction temperatureFoundation Project: Supported by National Natrual Science Foundation of China(No. 50676063): Key Subject Project ofShanghai(No T0503; P0502); Innovation Foundation for Graduate Students of Shanghai1引言2試驗用熱管及試驗條件半導(dǎo)體照明有可能成為替代白熾燈、熒光燈的21試驗用熱管及測溫點分布新型固體光源,是21世紀(jì)最具發(fā)展前景的高技術(shù)扁平熱管由蒸發(fā)段、絕熱段和冷凝段組成,其測領(lǐng)域之一,將創(chuàng)造照明產(chǎn)業(yè)的第4次革命2。但溫點分布如圖1所示。管內(nèi)壁上敷設(shè)絲網(wǎng)毛細(xì)結(jié)構(gòu)是,與現(xiàn)有照明燈具相比,發(fā)光效率低和散熱能力吸液芯,大功率LED用導(dǎo)熱絕緣膠封裝在蒸發(fā)段管差是大功率發(fā)光二極管( Light Emitting Diode,簡稱壁上。熱管運行時,液體工質(zhì)在蒸發(fā)段內(nèi)吸收熱量而ED)面臨的主要技術(shù)瓶頸。目前LED的發(fā)光效率蒸發(fā),產(chǎn)生的蒸汽從蒸汽腔流入冷凝段,在冷凝段被僅能達(dá)到10%-20%,還有80%-90%的能量轉(zhuǎn)換成冷卻放出熱量而冷凝成液體,在毛細(xì)結(jié)構(gòu)絲網(wǎng)產(chǎn)生了熱量,LED芯片的熱流密度超過了100Wm2,所的毛細(xì)力作用下再回流到蒸發(fā)段,如此形成了一個以散熱對LED的意義重大。在此將相變傳熱的工質(zhì)的流動循環(huán)和熱量傳遞過程。扁平熱管技術(shù)引入到大功率LED散熱的試驗研究蒸發(fā)段70mm)中,并在相同的條件下,與傳統(tǒng)的LED銅板散熱模塊進(jìn)行了熱性能比較?；痦椖?國家自然科學(xué)基金資助項目(506760653);上海市中國煤化工Q重點學(xué)科建設(shè)項目(T0503;P0502);上海市研究生CNMH創(chuàng)新基金項目定稿日期:2008-08-1圖1熱管冷卻LED測溫點布置示意圖作者簡介:魯樣友(1973-),男,安徽靈壁人,博士生,研究方試驗用熱管為銅-水熱管,即熱管材料為銅,工質(zhì)向為光電子器件熱物理是二次蒸餾水,熱管的厚度為5mm,寬度為15mm第43卷第3期電力電子技術(shù)VoL 43 No. 32009年3月Power Electronics總長度為160mm。毛細(xì)結(jié)構(gòu)為500目的銅絲網(wǎng),厚相同。分析圖3可知,當(dāng)P<0.7W時,銅板的散熱效度為0.25mm。溫度采用銅-康銅熱電偶(T型)測量,果比熱管好;而當(dāng)P>0.7W后,熱管的散熱效果明測溫點分布:T-T為蒸發(fā)段測溫點,T6-T為絕熱段顯優(yōu)于銅板;在P=3W時,熱管冷卻LED的結(jié)點測溫點,To-Tu為冷凝段測溫點,Ts,Ti為LED管溫度T=52℃,而銅板冷卻LED的結(jié)點溫度Tc腳測溫點。83℃。分析其原因可知:在P<07W時,熱管沒有22實驗條件完全啟動起來,而熱管里充裝的是工質(zhì)水,水的導(dǎo)LED輸入功率01~3W;LED電源為恒流源;充熱系數(shù)遠(yuǎn)比銅小得多,熱管的綜合導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)比銅液率(工質(zhì)體積與蒸發(fā)段總體積之比)50%;冷凝段板小得多,此時熱管和銅板的傳熱方式主要都是導(dǎo)釆用自然風(fēng)冷卻,風(fēng)速約1ms,由風(fēng)速儀測定;蒸汽熱;當(dāng)P>0.7W時,熱管啟動成功,此時熱管綜合導(dǎo)壓力采用壓力傳感器測量;環(huán)境溫度為25℃。熱系數(shù)比銅板要大幾個數(shù)量級。這也恰恰證明了當(dāng)3LED結(jié)點溫度測量理論P較小時,靠傳統(tǒng)的銅板或者鋁板等即可將LEDLED結(jié)點溫度測量方法主要有紅外攝像法、正散發(fā)出來的熱量移走,而當(dāng)P較大時,僅靠導(dǎo)熱已向電壓法、管腳法和藍(lán)白比法等,采用管腳法測量經(jīng)難以滿足LED的散熱需要此時相變傳熱則可能LED的結(jié)點溫度。通過換算可得結(jié)點溫度和LED芯是一個很好的選擇。片耗散的熱功率分別為TTP+PROpP, P=UrP(1)式中:T為管腳溫度;U,l為加在LED器件上的驅(qū)動電壓和電P為LED發(fā)光功率;R6為從結(jié)點到管腳的熱阻系數(shù),由廠家給出。2通常規(guī)定LED結(jié)點溫度不高于110℃,即TT+(UP)R6yp≤110℃(2)圖3不同散熱方式的LED結(jié)點溫度4試驗結(jié)果與分析4.3大功率LED的熱阻特性分析41熱管冷卻LED的啟動和關(guān)閉特性圖4示出LED散熱系統(tǒng)熱阻模型。大功率LED圖2示出扁平熱管冷卻大功率LED啟動和關(guān)散熱系統(tǒng)總熱阻為:閉時的溫度曲線(輸入功率為1W)。熱管的啟動性△和穩(wěn)定操作溫度是用來評價大功率LED芯片散熱用扁平熱管性能的一個非常重要的參數(shù)。分析圖2式中P為LED耗散的熱功率;7為環(huán)境溫度?？芍?所設(shè)計的熱管性能非常優(yōu)異,在7min內(nèi)能夠迅速啟動,穩(wěn)定性好;LED的結(jié)點溫度始終被控制粘結(jié)材料在約38℃,很好地滿足了大功率LED對散熱結(jié)點導(dǎo)熱絕緣膠溫度穩(wěn)定性的要求。在啟動的工況下,結(jié)點溫度迅■■■■■國■■■■■■國散熱裝置速上升,而在關(guān)閉工況下(電源關(guān)閉),結(jié)點溫度迅4LED散熱系統(tǒng)熱阻模型速下降,這說明LED結(jié)點的蓄熱能力較弱,如果沒圖5示出在銅基板和扁平熱管兩種不同的散熱有一個很好的散熱裝置及時把結(jié)點產(chǎn)生的熱量取方式下系統(tǒng)的熱阻曲線走,那么熱量會很快在結(jié)點積聚起來,從而影響件的安全運行圖5兩種不同散熱方式下系統(tǒng)的熱阻曲線知在P25W時,銅板散7方數(shù)據(jù)基于熱管散熱的LED器件封裝熱分析熱器與環(huán)境之間的熱阻REAc明顯上升,說明銅板相變傳熱的扁平熱管應(yīng)該是一個很好的散熱裝置。此時開始積溫,已經(jīng)不能夠及時地把LED發(fā)出的熱量移走,熱管蒸發(fā)段與環(huán)境之間的熱阻RAn明參考文獻(xiàn)顯降低說明此時熱管的性能開始優(yōu)化,可以及時 [I Hsu J T, Han W K, Chen C,eta. Design of multichi地把LED發(fā)出的熱量移走。此時熱管的散熱能力LED Module for Lighting Application[A)Proc. SPIE 4776(CH明顯優(yōu)于銅板散熱。5結(jié)論[2] Kim L, Choi J H, Jang S H,et al. Thermal Analysis of LED(1)提出將扁平熱管用于大功率LED散熱的方Array System with Heat Pipe [].Thermochimica Acta, 2007法,研究了扁平熱管和銅板兩種散熱方式在大功率455:21-25LED散熱中的熱性能,在輸入功率為3W時,熱管ang,Jgs,HwaW, al.Thermal Analysis of High冷卻LED時的結(jié)點溫度為52℃,而銅板冷卻LED時的結(jié)點溫度為83℃,對應(yīng)的系統(tǒng)總熱阻分別為{ Arik M, Weaver SChip Scale Thermal Management of High88K/W和19K/W。Brightness LED Packages[A). Proc. of SPIE 5530(C).2004(2)在輸入功率小于07W時,銅板具有較好的214-223.散熱效果,在輸入功率為25W時,銅板開始積溫,(5蘇達(dá),王德苗大功率LED散熱封裝技術(shù)研究的新進(jìn)而熱管的性能開始優(yōu)化,說明LED的功率增大時,展J電力電子技術(shù),2007,41(10):13-15(上接第64頁)形。由圖可見,該整流器可基本實現(xiàn)單位功率因數(shù)運行,且在控制器中加入陷波濾波器后,網(wǎng)側(cè)電流得到了明顯的改善,電流波形更加正弦化>41.02L.041.06I.08L.I1.021.04.06.08L.(a)電反饋值(b)網(wǎng)側(cè)電流給定值峰值4未加濾波和經(jīng)過濾波的仿真波形圖4b示出P控制器輸出的網(wǎng)側(cè)電流給定值峰a)傳統(tǒng)控制策略值的波形,其中,“分別為傳統(tǒng)控制器和經(jīng)過陷波(b)新的控制策略圖6網(wǎng)側(cè)電壓和電流的實驗波形濾波后的PI輸出波形。仿真和實驗結(jié)果驗證了該方法的正確性為進(jìn)一步驗證該方法的正確性,實際搭建了小6結(jié)論功率單相PWM整流器,采用TMS320F2812作為控針對單相PwM整流器輸出直流側(cè)電壓二次波制器。系統(tǒng)參數(shù):U=1471V,L=23mH,C=8800μF,動使網(wǎng)側(cè)電流存在較大諧波,對電網(wǎng)造成污染的問直流側(cè)給定電壓U=200Vf=f=25kHz題,探討了一種抑制直流電壓二次諧波影響的新控圖5示出當(dāng)該單相PWM整流器穩(wěn)定運行于輸制器,并與傳統(tǒng)的控制算法進(jìn)行了比較。通過仿真和出電壓為20ⅴ時,由DSP采集的直流側(cè)電壓波形。實驗證明,該控制器能有效消除直流側(cè)電壓二次波其中u為直接從整流器直流側(cè)采集回來的電壓波動對網(wǎng)側(cè)電流的影響從而改善網(wǎng)側(cè)電流波形,降低形,ux為a經(jīng)過陷波濾波器后的波形。諧波含量。參考文獻(xiàn)[張崇巍,張興pPwM整流器及其控制M北京:機械工業(yè)出版社,20032]王成智鄒去屏基于SPWM調(diào)制的單相大功率整流器果樣點個數(shù)圖5實際系統(tǒng)電壓采集值研究U電力電子技術(shù),2008,42(6):69-71由圖4,5可見,在單相PwM整流器控制器中8中國煤化工策略研究與仿真加入陷波濾波器,可有效抑制直流側(cè)電壓的二次波4宋CNMH動對網(wǎng)側(cè)電流的影響,從而消除網(wǎng)側(cè)電流中的部分m硎m疋崝波改善控制方法電氣應(yīng)用,2008,27(12):45-48.3次及更高次諧波。5]鄭波祥李華陷波濾波器在TMS320F240上的實現(xiàn)U圖6示出傳統(tǒng)和新的控制策略下的電壓電流波應(yīng)用科技,2004,31(1):32-33