基于平板微熱管陣列的大功率LED散熱技術(shù)

王 薇，樊洪明

(北京工業(yè)大學(xué)綠色建筑環(huán)境與節(jié)能技術(shù)，北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100024)

引言

目前，LED器件受其結(jié)構(gòu)的制約，只能將輸入功率的30%～40%轉(zhuǎn)化為光能，剩余的60%～70%會(huì)轉(zhuǎn)變成熱量[1]，若這一部分熱量不能及時(shí)散出，將會(huì)引起芯片內(nèi)部熱量積聚，導(dǎo)致LED芯片輸出光強(qiáng)降低、光源發(fā)光波長(zhǎng)漂移、可靠性下降、發(fā)光效率降低并加速其光衰，不僅會(huì)影響LED的性能，還會(huì)對(duì)其使用壽命造成直接的影響[2]。有實(shí)驗(yàn)研究表明，隨著LED芯片溫度的升高，達(dá)到一定程度時(shí)，LED芯片溫度每上升2 ℃，其使用壽命就會(huì)減少10%，該規(guī)律呈指數(shù)形式[3]。因此，LED的散熱問題是目前節(jié)能減排形勢(shì)下有待進(jìn)一步解決的重要工程問題。

針對(duì)大功率LED的散熱狀況，國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)研究與嘗試，以期從強(qiáng)化LED芯片熱量散發(fā)和改良LED外部散熱裝置這兩個(gè)角度出發(fā)，解決大功率LED的散熱問題。本文從改變LED外部散熱裝置的角度出發(fā)，基于文獻(xiàn)[4]中研制的平板微熱管陣列，設(shè)計(jì)了用以及時(shí)有效地將LED芯片產(chǎn)生的熱量散出的U型熱管散熱裝置。裝置采用的平板微熱管是一種具有良好的蒸發(fā)吸熱特性的特殊熱管，且其形狀易于與芯片貼合，并被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備的散熱中。本文通過實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)對(duì)比了散熱裝置與光源之間不同連接方式、U型熱管與散熱翅片之間不同連接方式、散熱裝置不同有效散熱面積對(duì)散熱效果的影響，并結(jié)合ANSYS仿真模擬軟件，對(duì)散熱裝置進(jìn)一步優(yōu)化，為大功率LED散熱裝置的設(shè)計(jì)研發(fā)提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和過程

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

基于平板微熱管陣列的大功率LED散熱裝置實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要包括兩大部分:實(shí)驗(yàn)件部分和數(shù)據(jù)采集部分，圖1所示為該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖。

圖1 大功率LED散熱裝置實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)圖Fig.1 The system chart of the high power LED cooling device test system

實(shí)驗(yàn)件系統(tǒng)包括基于平板微熱管陣列的U型熱管散熱裝置、大功率LED光源、穩(wěn)壓器，本實(shí)驗(yàn)中將光源視作為散熱裝置提供了恒定的一維穩(wěn)定熱流，因此可以按照一維導(dǎo)熱進(jìn)行計(jì)算。U型熱管散熱裝置根據(jù)U型熱管與散熱翅片的連接方式不同，分為粘貼型U型熱管散熱裝置和一體化U型熱管散熱裝置；LED基板與U型熱管之間以導(dǎo)熱含銀硅脂連接，粘接型U型熱管散熱裝置與散熱翅片之間用導(dǎo)熱硅膠粘連，圖2所示為散熱裝置的模型示意圖。

圖2 U型熱管散熱裝置Fig.2 U type of heat pipe cooling device

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括T型熱電偶、數(shù)據(jù)采集儀、計(jì)算機(jī)。熱電偶用以測(cè)量基板溫度Tj1和Tj2、翅片根部溫度、內(nèi)外側(cè)翅片尖端溫度、基板旁熱管溫度，并通過Agilent數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)采集到電腦中。熱電偶布置在LED基板兩側(cè)和U型熱管散熱裝置上，測(cè)溫點(diǎn)分布如圖3所示，U型熱管內(nèi)側(cè)測(cè)溫點(diǎn)分布與左視圖分布一致，括號(hào)內(nèi)測(cè)溫點(diǎn)編號(hào)為對(duì)應(yīng)位置的內(nèi)側(cè)測(cè)溫點(diǎn)。

圖3 測(cè)溫點(diǎn)布置圖Fig.3 Temperature measuring point arrangement diagram

1.2 實(shí)驗(yàn)原理及內(nèi)容

在發(fā)光過程中，LED芯片所產(chǎn)生的熱量會(huì)通過熱傳導(dǎo)、對(duì)流及輻射這三種換熱方式進(jìn)行熱量傳遞，而根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[5]得知通過熱輻射傳遞的熱量?jī)H占1.6%，可忽略不計(jì)，因此在熱分析中只考慮熱傳導(dǎo)和對(duì)流。

實(shí)驗(yàn)中采用100 W的LED作為光源；U型熱管散熱裝置有效散熱面積根據(jù)牛頓冷卻公式確定，散熱翅片均為直翅片。散熱裝置實(shí)物如圖4所示。

圖4 散熱裝置實(shí)物圖Fig.4 Picture of real cooling device

實(shí)驗(yàn)變量有：LED基板與散熱裝置之間的連接方式、U型熱管與散熱翅片的連接方式及U型熱管散熱裝置的有效散熱面積。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中需要關(guān)注LED基板溫度、U型熱管散熱裝置垂直方向的溫差、LED基板和與之連接熱管之間溫差，分別反映了U型熱管散熱裝置散熱效果，其均溫性好壞及基板與熱管之間的接觸熱阻大小，根據(jù)既有文獻(xiàn)[6]表明，散熱裝置垂直方向溫差小于3 ℃即為均溫性良好。

1.3 實(shí)驗(yàn)誤差分析

實(shí)驗(yàn)過程中的誤差按照其來源，主要有以下幾種：

1) 裝置誤差。測(cè)量溫度時(shí)采用的T型熱電偶，其最大校正誤差為0.2 K，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，熱電偶與空氣接觸部分聚四氟乙烯進(jìn)行保溫絕熱。故熱量的傳遞可近似認(rèn)為是沿軸向一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過程，誤差為0.11%。

測(cè)量導(dǎo)熱硅膠層、含銀硅脂層時(shí)使用游標(biāo)卡尺，其誤差為±0.02 mm。

2) 環(huán)境誤差。實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的數(shù)據(jù)與環(huán)境溫度、風(fēng)速有關(guān)，而每一組實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行的過程中，這二者都不能保證完全一樣，因此在數(shù)據(jù)對(duì)比的時(shí)候存在誤差。

3) 人員操作誤差。人員操作誤差主要來源有：連接U型熱管與翅片過程中，導(dǎo)熱硅膠層分布不均且其厚度為變量；連接熱管與LED光源基板過程中，含銀硅脂層分布不均且其厚度為變量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)既有的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，在室溫狀態(tài)下，為保證光源正常工作，大功率LED的基板溫度應(yīng)低于70 ℃[7]。為確保實(shí)驗(yàn)中散熱過程已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，每組實(shí)驗(yàn)燃點(diǎn)時(shí)長(zhǎng)為3 h，在對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，各測(cè)溫點(diǎn)溫度均采用相對(duì)溫度表示該測(cè)溫點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)溫度，即測(cè)溫點(diǎn)的實(shí)際溫度與環(huán)境溫度的差值，以期消除環(huán)境溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。同時(shí)引入單位溫升面積，即U型散熱裝置有效散熱面積與散熱引起的周圍環(huán)境溫度上升的數(shù)值之間的比值，此值可以在一定程度上衡量該散熱裝置的散熱效率。

2.1 LED基板與熱管之間不同連接方式對(duì)散熱效果的影響

選取有效散熱面積為0.85 m2的粘接型U型熱管散熱裝置為100 W的LED燈散熱， LED基板與熱管之間的連接方式采取打孔連接和含銀硅脂結(jié)合卡扣連接兩種方式，在其他條件均相同的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)U型熱管散熱裝置散熱響應(yīng)時(shí)間及散熱效果進(jìn)行比較。

結(jié)合圖5及表1可看出，在相同條件下，采用打孔連接的U型熱管散熱裝置基板溫度穩(wěn)定時(shí)間較短，熱量傳遞較為迅速。但當(dāng)散熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，兩種連接方式的U型熱管散熱裝置的基板實(shí)際溫度均可滿足大功率LED使用壽命對(duì)其基板溫度的要求，且二者U型熱管垂直方向溫差均小于3 ℃；但采用含銀硅脂結(jié)合卡扣連接的U型熱管散熱裝置基板溫度更低，約低4 ℃，且單位溫升面積也更低。分析可知，由于打孔連接會(huì)使U型熱管散熱裝置與LED連接更加緊密，在二者的接觸面上所施加的壓力更大，而接觸熱阻隨著壓力的增大而減小，接觸熱阻越小，散熱越快，由表1中兩種連接方式下的基板和與之相連接的熱管之間溫差對(duì)比可以印證。

圖5 粘貼型U型熱管與LED不同連接方式基板溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.5 The changing curve of substrate temperature along with time of pasting U type of heat pipe cooling device connected with the LED in different ways

連接方式基板實(shí)際溫度/℃基板實(shí)驗(yàn)溫度/℃U型熱管垂直方向溫差/℃基板和與之連接的熱管之間的溫差/℃單位溫升面積/(m2/℃)打孔連接69.9057.232.783.590.015含銀硅脂結(jié)合卡扣連接66.9853.472.266.870.016

采用打孔連接的方式，基板和熱管之間的溫差比粘接方式要小，即采用打孔連接方式，對(duì)應(yīng)的基板與熱管之間的接觸熱阻更小，因此采用打孔連接方式的U型熱管散熱裝置的散熱速度快；但同時(shí)，打孔連接的方式破壞了熱管的微通道，相當(dāng)于減小了散熱裝置的有效散熱面積，因此最終散熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，采用打孔連接的U型熱管散熱裝置的基板溫度較高。

綜合來看，該組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比也印證了接觸熱阻對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響是不容忽視的，盡可能在不減小有效散熱面積的條件下，減小光源基板與熱管之間的接觸熱阻是提高散熱能力的有效方法。

2.2 U型熱管與散熱翅片連接方式不同對(duì)散熱效果的影響

分別選取有效散熱面積為0.85 m2的粘接型U型熱管散熱裝置和一體化U型熱管散熱裝置為100 W的LED燈進(jìn)行散熱，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)其散熱響應(yīng)時(shí)間及散熱效果進(jìn)行比較。

結(jié)合圖6和表2的數(shù)據(jù)，分析U型熱管與翅片之間不同連接方式對(duì)散熱效果的影響，對(duì)比兩種散熱裝置的散熱效果，相同條件下，一體化U型熱管散熱裝置基板溫度達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間更短，散熱響應(yīng)更加迅速，且達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)基板溫度更低，這是由于一體化U型熱管相比粘貼型U型熱管省去了翅片與熱管之間使用導(dǎo)熱硅膠粘接這一環(huán)節(jié)，減小了導(dǎo)熱熱阻，有利于散熱，這一點(diǎn)也可以通過表2中U型熱管垂直方向溫差得以印證，一體化U型熱管垂直方向溫差更小，均溫性更好。綜合比較，一體化U型熱管散熱響應(yīng)快，散熱效果更佳，單位溫升面積更小，相比粘貼型U型熱管有很大的優(yōu)勢(shì)。

圖6 相同有效散熱面積的粘貼型和一體化U型熱管基板溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.6 The changing curve of substrate temperature along with time of the same effective heat radiant area between the pasting U type of heat pipe cooling device and integral U type of heat pipe cooling device

有效散熱面積/m2基板實(shí)際溫度/℃基板實(shí)驗(yàn)溫度/℃U型熱管垂直方向溫差/℃單位溫升面積/(m2/℃)0.85 m2(粘接型)67.4154.172.070.0160.85 m2(一體化)65.5953.691.380.015

2.3 散熱裝置有效散熱面積不同對(duì)散熱效果的影響

分別選取有效散熱面積為0.65、0.85和1.05 m2的一體化U型熱管散熱裝置為100 W的LED燈進(jìn)行散熱，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)其散熱響應(yīng)時(shí)間及散熱效果進(jìn)行比較。

由圖7可知，隨著有效面積的增大，散熱響應(yīng)時(shí)間變化不明顯；結(jié)合表3數(shù)據(jù)分析，當(dāng)散熱達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，隨著有效散熱面積的增大，基板溫度不斷降低，最終均穩(wěn)定在70 ℃以下，且U型熱管垂直方向溫差均小于3 ℃，具有良好的均溫性。

圖7 不同有效散熱面積的一體化U型熱管基板溫度隨時(shí)間變化曲線Fig.7 The changing curve of substrate temperature along with time of different effective heat radiant area of integral U type of heat pipe cooling device

有效散熱面積/m2基板實(shí)際溫度/℃基板實(shí)驗(yàn)溫度/℃U型熱管垂直方向溫差/℃0.6567.2253.921.440.8565.5953.691.381.0556.1244.621.91

3 U型熱管散熱裝置的優(yōu)化

有關(guān)U型熱管散熱裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可采用實(shí)驗(yàn)和熱阻計(jì)算的方式，為減少研究成本，本文采用ANSYS有限元熱分析軟件結(jié)合實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)，對(duì)U型熱管散熱裝置進(jìn)行仿真研究及優(yōu)化。由于對(duì)流換熱系數(shù)和有效散熱面積是影響自然對(duì)流的主要因素，因此翅片的高度、間距、厚度會(huì)對(duì)U型散熱裝置的散熱效果有很大的影響[8]。

3.1 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為確保ANSYS軟件仿真的真實(shí)性，將實(shí)驗(yàn)與仿真模擬進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果，選用功率為100 W的LED燈，其產(chǎn)生熱量按70%計(jì)算[1]；對(duì)有效散熱面積為0.85 m2的一體化U型熱管散熱裝置進(jìn)行仿真模擬，相應(yīng)參數(shù)如表4所示。考慮到本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶?duì)稱性，為節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，本文對(duì)模型進(jìn)行對(duì)稱簡(jiǎn)化，并在相同實(shí)驗(yàn)條件下，比較關(guān)鍵測(cè)溫點(diǎn)處的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果。

由表5和圖8可知，關(guān)鍵測(cè)溫點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果相差均在4%以下，結(jié)果符合良好，由此證實(shí)了采用ANSYS軟件模擬研究基于平板微熱管陣列的U型散熱裝置的散熱性能并對(duì)其進(jìn)一步優(yōu)化是可靠的?？稍诖四Ｐ突A(chǔ)上，對(duì)U型熱管散熱裝置進(jìn)行優(yōu)化。

表4 LED、含銀硅脂及U型熱管散熱裝置的參數(shù)

表5 關(guān)鍵測(cè)溫點(diǎn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果

圖8 關(guān)鍵測(cè)溫點(diǎn)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖Fig.8 Contrast diagram of the key temperature measuring point between simulation result and experimental result

3.2 翅片間距的優(yōu)化

保持U型熱管散熱裝置的寬度及其他條件不變，環(huán)境溫度為25 ℃，改變其翅片間距，仿真出相應(yīng)的LED基板溫度，并得到翅片間距與LED基板溫度的關(guān)系曲線如圖9所示。

圖9 翅片間距與基板溫度、單位溫升面積的關(guān)系Fig.9 The relations between the spacing of fins and the substrate temperature and unit heating area

由圖9可知，當(dāng)翅片間距很小時(shí)，LED基板溫度甚至無法滿足大功率LED散熱的需求，這是由于過小的翅片間距會(huì)造成間距之間的空氣與翅片幾乎沒有溫差，并且邊界的粘滯作用很強(qiáng)，對(duì)流換熱受到極大的影響，不利于U型散熱裝置的散熱；隨著翅片間距的增大，對(duì)流換熱過程逐漸改善，LED基板溫度也隨之降低，但基板溫度在下降到一定程度后，繼續(xù)增加翅片間距，LED基板溫度反而上升，這是由于在整個(gè)散熱裝置寬度不變的條件下，增大翅片間距，翅片數(shù)目減少，相對(duì)應(yīng)的有效散熱面積也急劇下降，無法滿足LED芯片散熱。但從單位溫升面積角度來看，隨著翅片間距的增加，自然對(duì)流換熱進(jìn)行充分，單位溫升面積不斷下降，即散熱裝置的效率在提升，因此綜合來看，我們認(rèn)為翅片間距存在最優(yōu)值為5～7 mm。

3.3 翅片厚度的優(yōu)化

選取翅片間距為6 mm，翅片高度為21 mm的一體化U型熱管散熱裝置，保持其寬度不變，環(huán)境溫度為25 ℃，改變其翅片厚度，取值分別為0.5 mm、1 mm、1.5 mm、2 mm和2.5 mm，仿真出對(duì)應(yīng)的基板溫度，分析翅片厚度與基板溫度、單位溫升面積之間的關(guān)系。

由圖10可知，隨著翅片厚度的增加，LED基板溫度降低，這是由于增加翅片的厚度，相當(dāng)于增大了U型熱管與散熱翅片之間的接觸面積，增強(qiáng)了熱管向翅片傳導(dǎo)熱量的能力，有利于散熱；但當(dāng)翅片厚度增加到1 mm時(shí)，隨著翅片厚度的繼續(xù)增加，基板溫度反而升高，這是由于在散熱裝置的寬度不變的條件下，增加翅片厚度會(huì)使得翅片數(shù)目減少，相應(yīng)的有效散熱面積也會(huì)減小，不能滿足散熱需要。結(jié)合圖中單位溫升面積的變化趨勢(shì)可知，增加翅片的厚度可以增強(qiáng)U型熱管與散熱翅片之間的傳導(dǎo)換熱，并在可以滿足散熱需求的有效散熱面積條件下，利于整個(gè)裝置的散熱，但過大的翅片厚度則不能滿足其散熱需要的有效散熱面積。因此，翅片厚度的最優(yōu)值為1 mm。

圖10 翅片厚度與基板溫度、單位溫升面積的關(guān)系Fig.10 The relations between the width of fins and the substrate temperature and unit heating area

3.4 翅片高度的優(yōu)化

結(jié)合上述研究，選擇翅片間距為6 mm，翅片厚度為1 mm的一體化U型熱管散熱裝置，保持其寬度不變，環(huán)境溫度為25 ℃，改變其翅片的高度，取值從19～59 mm，間隔2 mm取值，共21組值，仿真出對(duì)應(yīng)的基板溫度，分析翅片高度與LED基板溫度、單位溫升面積之間的關(guān)系(見圖11)。

圖11 翅片高度與基板溫度、單位溫升面積的關(guān)系Fig.11 The relations between the height of fins and the substrate temperature and unit heating area

由圖11可知，基板溫度隨翅片高度的增大而下降，這是由于增大翅片高度直接增大了散熱裝置與周圍環(huán)境的接觸面積，有利于散熱，但隨著翅片高度增大，散熱翅片與周圍環(huán)境溫差梯度變小，基板溫度下降速率變?。唤Y(jié)合單位溫升面積隨翅片高度變化曲線，增大翅片高度，裝置的單位溫升面積也增大。綜合圖11中曲線趨勢(shì)，進(jìn)一步考慮散熱裝置的加工成本，選擇翅片高度為35 mm是相對(duì)比較合理的，此時(shí)LED基板溫度約為47 ℃，滿足大功率LED應(yīng)用的要求。

4 結(jié)論

我們?cè)O(shè)計(jì)的基于平板微熱管陣列的U型熱管散熱裝置可以有效解決大功率LED散熱問題。通過實(shí)驗(yàn)的方法，確定了裝置的有效散熱能力，分析了新型散熱裝置的傳熱性能，為進(jìn)一步優(yōu)化LED散熱裝置提供了理論依據(jù)。主要結(jié)論如下：

1)基于平板微熱管陣列的粘貼型U型熱管散熱裝置和一體化U型熱管散熱裝置可以在一定程度上解決大功率LED的散熱問題，且后者的均溫性優(yōu)于前者；

2)實(shí)驗(yàn)過程中LED的散熱效果會(huì)受到U型熱管的有效散熱面積、LED基板與熱管連接方式，翅片與U型熱管連接方式的影響；

3)相同條件下，LED基板與熱管的連接采用打孔連接散熱響應(yīng)時(shí)間短，散熱快，但由于熱管被破壞，穩(wěn)定后基板溫度比粘接連接的基板溫度高；

4)相同條件下，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的基板溫度會(huì)隨著U型熱管的有效散熱面積的增加而降低，散熱響應(yīng)時(shí)間減少，單位溫升面積降低；

5)相同條件下，一體化U型熱管散熱裝置比粘貼型U型熱管散熱裝置散熱響應(yīng)時(shí)間短，散熱迅速，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后基板溫度更低，單位溫升面積更??；

6)實(shí)驗(yàn)中基板與熱管連接時(shí)的接觸熱阻對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響很大，不容忽視；

7)采用ANSYS軟件對(duì)U型熱管散熱裝置進(jìn)行優(yōu)化，確定了翅片最優(yōu)間距為5～7 mm，最優(yōu)厚度為1 mm，最優(yōu)高度為35 mm，優(yōu)化后的U型熱管散熱裝置將LED基板溫度控制在47 ℃左右，滿足大功率LED應(yīng)用的要求。