本文針對65×65mm一面設有九顆1×1mm,、1W的LED芯片，另一面為肋片的鋁制散熱" title="散熱">散熱片,，利用數(shù)值法求解三維穩(wěn)態(tài)導熱微分方程,，利用計算機專用軟件計算得到不同LED芯片分布時,，散熱片芯片表面的溫度分布，根據(jù)其溫度場來分析LED芯片分布對其散熱的影響,。結果是：九顆芯片集中在一起散熱效果最差,，芯片之間的距離應達到5mm以上，其芯片溫度可降低近5℃以上,。

      引言

　　LED照明,，由于節(jié)能顯著，被認為是下一代照明技術,。LED是冷光源,，其光譜中不包含紅外部分，而目前LED發(fā)光效率" title="發(fā)光效率">發(fā)光效率僅達到20%,，也就是說有80%以上的電能轉換成熱能,。如果熱量不能有效散出，芯片的溫度上升,，會導致光效下降,，光衰加劇，嚴重時燒毀芯片,，LED芯片散熱是當前LED照明發(fā)展中的一大未解決的問題,。LED芯片的散熱過程并不復雜，只是一系列導熱過程再加對流換熱過程,，溫度范圍不高，屬于常溫傳熱,，其內(nèi)的導熱過程,，完全可以運用計算機專用軟件求解三維導熱微分方程，計算分析出LED芯片中,、散熱片內(nèi)的導熱過程,，以及散熱片外表的對流換熱，分析出整個傳熱過程中主要的熱阻在何處,，什么原因造成的,，可以得到一非常清晰的解，使人們有的放矢,。但當前LED散熱以及同類的半導體芯片散熱,，都缺少這一基礎性和指導性的研究，即使有人做了,，但不為眾人所知,。由此造成當今LED散熱技術就像春秋戰(zhàn)國時代樣，出現(xiàn)采用熱管,，甚至提出采用回路熱管,。本文僅從LED芯片分布不同,，來研究分析其對散熱的影響，將對LED芯片中的設計和制造起著指導性意義,。

　　1,、計算模擬的模型

圖1

　　如圖1所示，鋁制散熱片的一側面設有9顆1×1mm,，1w的芯片,，還有0.1mm厚導熱系數(shù)取4w/(m·k)的絕緣導熱層，肋片的總面積為 m2,，空氣對流換熱系數(shù)為 =6 w/（m2·k）,，鋁的導熱系數(shù)取202 w/(m ·k)。為簡化計算,，不考慮肋片內(nèi)的導熱問題,，由肋片散熱面簡化折算成65×65mm，對流換熱系數(shù)為 85 w/（m2·k）的對流換熱面,。也就是求解一側面為對流換熱面( =85w/（m2·k）),，另一側為9顆芯片(1×1mm，1w)的鋁塊（65×65×3mm）在芯片間距不同時其內(nèi)部的溫度場,。

　　本文針對65×65mm一面設有九顆1×1mm,、1W的LED芯片，另一面為肋片的鋁制散熱片,，利用數(shù)值法求解三維穩(wěn)態(tài)導熱微分方程,，利用計算機專用軟件計算得到不同LED芯片分布時，散熱片芯片表面的溫度分布,，根據(jù)其溫度場來分析LED芯片分布對其散熱的影響,。結果是：九顆芯片集中在一起散熱效果最差，芯片之間的距離應達到5mm以上,，其芯片溫度可降低近5℃以上,。

      引言

　　LED照明，由于節(jié)能顯著,，被認為是下一代照明技術,。LED是冷光源，其光譜中不包含紅外部分,，而目前LED發(fā)光效率僅達到20%,，也就是說有80%以上的電能轉換成熱能。如果熱量不能有效散出,，芯片的溫度上升,，會導致光效下降，光衰加劇,，嚴重時燒毀芯片,，LED芯片散熱是當前LED照明發(fā)展中的一大未解決的問題,。LED芯片的散熱過程并不復雜，只是一系列導熱過程再加對流換熱過程,，溫度范圍不高,，屬于常溫傳熱，其內(nèi)的導熱過程,，完全可以運用計算機專用軟件求解三維導熱微分方程,，計算分析出LED芯片中、散熱片內(nèi)的導熱過程,，以及散熱片外表的對流換熱,，分析出整個傳熱過程中主要的熱阻在何處，什么原因造成的,，可以得到一非常清晰的解,，使人們有的放矢。但當前LED散熱以及同類的半導體芯片散熱,，都缺少這一基礎性和指導性的研究,，即使有人做了，但不為眾人所知,。由此造成當今LED散熱技術就像春秋戰(zhàn)國時代樣,，出現(xiàn)采用熱管，甚至提出采用回路熱管,。本文僅從LED芯片分布不同,，來研究分析其對散熱的影響，將對LED芯片中的設計和制造起著指導性意義,。

　　1,、計算模擬的模型

圖1

　　如圖1所示，鋁制散熱片的一側面設有9顆1×1mm,，1w的芯片,，還有0.1mm厚導熱系數(shù)取4w/(m·k)的絕緣導熱層,，肋片的總面積為 m2,，空氣對流換熱系數(shù)為 =6 w/（m2·k），鋁的導熱系數(shù)取202 w/(m ·k),。為簡化計算,，不考慮肋片內(nèi)的導熱問題，由肋片散熱面簡化折算成65×65mm,，對流換熱系數(shù)為 85 w/（m2·k）的對流換熱面,。也就是求解一側面為對流換熱面( =85w/（m2·k）)，另一側為9顆芯片(1×1mm,，1w)的鋁塊（65×65×3mm）在芯片間距不同時其內(nèi)部的溫度場,。

      
      求解方程：

      即為三維穩(wěn)態(tài)導熱微分方程,，通常稱為拉普拉斯方程式。利用專用的計算軟件求解,。

　　2,、計算結果

　　圖2為：不同芯片間距，LED芯片所處的散熱片金屬表面,，過中心點的溫度分布,。

　　芯片間距L取1mm、2.5mm,、5mm,、7.5mm、10mm,、15mm,、20mm、25mm,、30mm,。
     
　　當L=1mm時，即9顆LED芯片集中在一起,，之間沒間隙,。
      
　　 表1列不同芯片間距，LED芯片所處散熱片金屬表面中心點（也即溫度最高點）的溫度值及其差別,。以上計算中環(huán)境溫度取40℃（313K）,。

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　　3、分析

　　從圖2和表1中可清楚地看：當把9顆LED芯片集中在一起（芯片間距L=1mm）時,，中心點（芯片所處的溫度最高點）溫度最高,，也就是散熱效果最差。當芯片間距增加1.5mm（L=2.5mm）時,，最高點溫度就下降3.1℃,，芯片間距增加4mm（L=5mm）時，最高點溫度下降4.8℃,。當芯片間距為L=7.5mm時,，最高點溫度下降5.6℃。當芯片間距L=10mm時,，溫度下降6.1℃,。當芯片間距L=20mm時，溫度下降7.2℃,。在間距L=10mm內(nèi)溫度降低顯著,。

　　4、結果

　　（1）LED芯片分布對散熱有很大影響,，應該將LED芯片分散開,。

　　（2）對于1×1mm,，1w的LED芯片,，芯片間距取5~10mm為佳。

　　作者：秦 彪

　　參考文獻

　　[1] 楊世銘.傳熱學.西安交通大學,人民教育出版社,，1980：36-163

　　[2] 俞左平.傳熱學.山東工學院,人民教育出版社,，1979：1-169