基于微喷射流的高功率LED散热方案的数值和实验研究[1]

　　0 前言

　　大功率发光二极管(LED: light emitting diode)器件为核心的半导体照明技术由于相比普通照明技术具有较多的优点, 近年来已经成为研究和开发热点。目前, 普通光源主要为白炽灯、卤钨灯和荧光灯等, 理论上, LED相比这些光源主要有如下几点优势[1]. 1) 发光效率高、光的单色性好、光谱窄、无需过滤就可直接发出有色可见光。2) 节能、耗电量少。在同样的照明效果下, LED的耗电量是白炽灯泡的八分之一, 是荧光灯管的二分之一。3) 使用寿命长。LED灯体积小、重量轻、用环氧树脂或者硅胶封装, 机械强度大, 耐振动和冲击. 理论上LED的平均寿命达 10 万小时, 是普通灯管的数十倍。4) 安全环保。LED为全固态发光体, 发热量低, 无热辐射, 是冷光源, 不含汞、钠等可能危害健康的物质, 废弃物可回收, 没有污染。 由于具有上述优点, LED开始在许多应用中发挥着作用, 典型的应用有[2]: 手机及其他LED显示的背光源,显示和标志牌, 信号灯等。

　　对高功率LED, 光学设计和热管理是其获得高性能的两个关键因素。虽然理论上LED的发光效率很高, 但由于没有有效的散热方式, 目前, LEDs的实际发光效率仍然比较低, 大部分LED芯片的最终发光效率只有10%~20%, 这意味着80%~90%的电能转化成了热量。 一般说来,这些热量将极大地降低照明效率. 除了降低照明效率, 高温还将导致LED发光颜色的改变。另外, 较高的LED运行温度还将使得LED的寿命快速下降, 关于这一点, Narendran 等人[3]已经通过实验证实: LEDs的寿命与LED芯片节点温度的增加成指数形式下降。上述几点表明: LED的工作温度越低越好。但是, 在实际应用中经常需要LED具有高功率和高封装密度以获取高亮度, 这必定导致功率密度和运行温度间形成矛盾, 特别是当应用条件需要LED满负荷运行以获得理想的亮度的时候, 这个矛盾更加突出。上述矛盾给高亮度LED的热管理提出了挑战,它迫切需要良好的散热措施来解决LED的热问题。

　　为了有效解决LED的散热问题, 国内外不少研究者开展了相关热问题研究。在国外, Arik等人[4]采用有限元方法开展数值模拟, 求解了LED芯片温度分布并评估了局部高温对芯片有源层的影响。Sano等人[5]报道了一个具有优秀散热能力的超亮度LED模块, 该模块采用具有出色热导能力的铝基板来散热。 Petroski[6]开发了一种新型热沉来实现高功率LED的冷却, 该热沉基于自然对流来实现换热。它采用圆柱结构, 周围布满了纵向分布的翅片, 该设计可实现散热效果各向同性. Chen等人[7]采用硅加工的热电制冷器(TE cooler)来冷却高功率LED。他们的测试结果表明该冷却方法能有效地降低高功率LED的热阻。Hsu等人[8]报道了一种用于LED封装的金属粘结方法, 该方法可以实现较好的散热效果, 有效地降低热阻。 Zhang等人[9]采用多壁面的碳纳米管和碳黑作为热界面材料来封装高亮度LED, 测试结果表明该措施能有效地降低LED的热阻。Acikalin 等人[10]采用主动冷却方法降低LED工作温度。他们利用小型压电风扇来形成强迫对流, 测试结果表明该措施能将热源温度下降37.4℃, 压电风扇可以作为电子器件和LED冷却的一个具有竞争力的热管理手段。

　　在国内, 不少研究者也开展了LED热管理方面的研究。 吴慧颖等人[11]利用有限元方法对1W级倒装大功率白光LED的空间温度场分布进行了模拟计算, 模拟结果与测量的温度分布相吻合。 在上述数值模拟的基础上, 他们还研究了芯片尺寸与结区温度的关系, 结果表明: 在一定的发光效率和封装结构条件下, 由于散热条件的限制, 芯片的设计尺寸和能承受的最大功率必须优化设计。余彬海等人[12]分析了芯片衬底材料对大功率LED的热特性的影响机制。他们建立了倒装芯片衬底粘接材料的厚度和热导系数与粘接材料热阻的关系曲线, 以三类典型粘接材料为例计算了不同厚度下的热阻, 得出了倒装芯片衬底粘接材料的不同对大功率LED的热阻存在较大影响的结论。陈颖等人[13]采用热阻抗模型来预测LED工作时结点处的温度, 并用它来指导设计高功率LED光源时所需散热装置。通过与实际情况的比较, 他们验证了热阻抗模型的可行性和它在高功率LED光源热量管理设计时的指导性作用。 马春雷等人[14]叙述了利用动态电学测试方法测量高功率LED热阻和结温的原理、试验装置、测量步骤和影响测试结果的因素。他们的研究表明: 该方法具有测试结构简单、稳定性高等特点, 可作为高功率LED热阻和结温的标准测试方法。王玉田等人[15]对LED热特性开展了分析, 并推导出了反映热特性和光输出功率的工程设计公式, 基于该公式, 他们计算了脉冲输入条件下LED的光功率输出,分析了不同参数比如脉宽、站空比等对光功率输出和发热量的影响。

　　本文提出了一种主动冷却方案来实现高功率密度 LED 的散热, 该方案采用系列微喷进行换热, 整个系统采用封闭形式, 由一个微泵驱动系统循环, 气体、液体包括水甚至金属液体等均可以作为工作介质, 微喷组依靠冲击射流的良好换热效果, 将热量从 LED 带入冷却系统从而实现散热。对上述系统开展了大量实验, 实验结果表明其拥有较好的散热能力。为了改进目前的设计, 对实验系统开展了数值研究, 与已有的实验结果进行了比较, 计算结果发现: 数值模型可以作为下一阶段分析的手段, 目前设计的实验系统需要开展参数优化。

　　1 封闭微喷冷却系统

　　图1显示了基于微喷射流组的封闭流体冷却系统, 它易与被冷却 LED 芯片封装。为了减少系统扭曲和元器件间的局部应力问题, 采用一种特殊的封装结构和方法来减少冷却系统与芯片的整体和局部的不对称。

　　图 1 系统原理图

　　系统封装和运行前, 通过连接口注入一定的流体进入系统, 然后密封各连接口以防止流体泄露。 当泵通电运行后, 小型流体腔体中的流体通过微喷器件入口流入射流腔, 在一定的压力下通过系列喷口形成强烈的射流, 射流直接冲击芯片基板下表面或者扰动流体, 产生强烈的换热效果, LED 芯片产生的高热流被射流吸收, 其温度急剧下降, 流体由于吸收了热量温度升高, 在泵的作用下, 升温的流体通过微喷器件出口流出, 进入小型流体容器, 在热沉和风扇的作用下, 热流体和环境发生换热, 使温度下降, 低温流体重新流入泵中开始新一轮循环。

　　图 2 为单面喷射的微喷组。图中流体从入口流入, 经过微喷冲击微喷器件的上壁面, 该壁面由高导热材料构成, LED 芯片基板直接放置在微喷器件上面, 为了减小接触热阻, 它们之间采用导热膏或者高导热焊料相连。低温的射流与高温的 LED 芯片基座接触后, 流体的温度升高, LED 芯片温度降低, 升温后的流体从出口流出。

　　为了满足 LED 的不同应用, 图 2 所示的微喷器件可以改成多种结构, 冲击射流腔体可以设计成多面体或者圆柱桶形状, 微喷布置在多面体或者圆柱桶内表面, 相应地, LED 芯片布置在它们的外表面, 这样一种设计方便了多面布置的 LED 的散热。

　　上述冷却系统采用冲击射流喷换热, 由于冲击射流换热系数大[16,17]、换热效果好, 因此高散热效率是其最显著的优点。由于采用多个微喷, LED基板可以得到均匀的温度分布。

　　2 实验系统

　　图 3 为图 1 所描述系统的实物图, 其结构设计和原理与图 1 和 2 基本相同, 图 3 中的热沉和风扇布置在流体容器的下面, 与图 1 中的描述相反, 但功能和效果没有明显区别。值得说明的是图 3 所示系统为实验装置, 实际应用中微泵和热沉风扇的尺寸均需要减小。图 4 为 2×2 并列布置 LED 芯片在微喷器件冷却下的实验图, LED 芯片表面温度的测量采用 Raytek 非接触式红外温度测试仪进行, 该温度数值与 LED 芯片节点温度有一定的区别, 但其可以直观地反映节点温度的大小。上述实验中主要的参数和细节为: 微泵采用电磁原理驱动, 输入电压可以调整以改变流量, 在缺省情形下, 微泵输入电压为交流 220 V, 流量为 10 mL/S。单个微喷的设计直径为 0.5 mm, 微喷组为4×4阵列。工作介质为水, 热沉和风扇是在电脑市场上直接购买的非常普通的产品, 实验中小水箱的尺寸是根据购买的热沉上表面大小设计的。实验用 LED 芯片单个尺寸为 1 mm×1 mm, 其基座尺寸为 15 mm×15 mm, 芯片间的距离为 3 mm。图 5 给出了测试用芯片组和相关电极的详细尺寸。

　　图 2 单面喷射的微喷组

　　图 3 实验测试系统

　　图 4 LED 芯片表面温度的测量

　　图 5 测试用芯片组的具体尺寸

　　实验用微喷器件的具体尺寸如图 6 所示。由于下腔体的尺寸与上腔体完全相同, 故图 6 仅仅显示了上腔体的尺寸。图 6 中上腔体的长和宽均为 8 mm, 高度为 6 mm, 上腔体上的出口直径为 4 mm。腔体内部的微喷个数为 16 个, 均匀布置在 8 mm×8 mm 的面积上, 这样各微喷的间距为 1.6 mm。由于 LED 芯片基板直接布置在微喷腔体的上部, 因此微喷距离顶板的高度为6 mm。微喷器件的下腔体完全与上腔体相同, 下腔体上的入口的直径为 4 mm。

　　图 6 实验用微喷上腔体的尺寸图

　　值得特别说明的是, 实验系统的所有设计尺寸没有特别地进行优化设计以获得更好的性能, 进一步的数值模拟和优化工作需要开展。

　　3 实验误差分析

　　温度为实验分析的主要参数, 它由 Raytek 红外测温仪直接测量获得. 由于没有其他的间接测量参数, 因此实验中出现的误差主要为红外测温仪误差。Raytek 红外测温仪的精度对日常90%的测量物体可以达到 98%的精度, 也就是说实验误差大约为 2%。