马璐 刘静

(中国科学院理化技术研究所低温工程学重点实验室，北京 100190)

1 引言

相比于普通光源，LED光源具有发光效率高，使用寿命长，安全环保等优点，有望进入普通照明市场并逐步代替传统照明光源［1］。但是，LED光源是一种冷光源，其机理在于依靠电子在能带间跃迁产生光，光谱中不含红外成分，因而所产生热量不能通过辐射发出。目前LED芯片的发光效率仅能达到10%～20%，其80%～90%的能量转化为热能。随着LED功率提高，会使得芯片内PN结结温升高，进而对性能产生严重影响，加速器件老化，甚至引起芯片烧毁［2］。针对高功率LED的热管理，国内外已有大量研究。Christensen及 Graham［3］用有限元方法分析了系统温度分布，考察了高功率LED芯片封装的热问题，指出在自然对流下，为保证芯片能够安全工作，其功率不能超过1W;对于高密度高功率LED，必须考虑空气强迫对流、热管等主动散热方案。Kim等［4］研究了高功率LED芯片粘结点的瞬态温度特性，分析了粘结层的失效性和热阻问题。Kovac等［5］阐述了基于有机和无机半导体材料制造LED的两个主要方向，并指出未来LED将朝着颜色更丰富、亮度更高、功耗更低方向发展。余彬海等［6］分析了PN结结温对LED器件的光通量、波长、色度、器件寿命的影响问题。李炳乾［7］采用金属线路板和板上芯片技术，在金属线路板上直接制作反光杯，以期减小系统热阻。苏达及王德苗［8］从封装结构和材料角度，对国内外高功率LED的散热进展进行了评述。吕家东［9］对LED芯片的微流道制冷技术进行了研究，指出其散热效果可以高出铜散热器的20倍。马璐等［10］将液体金属散热新方法引入到LED灯的冷却中。马泽涛等［11］通过三维有限元分析法对LED器件结构进行简化处理，着重分析了元件级内部热阻及温度场分布。为突显LED环保、节能和高效的特点，高逸峰等［12］对太阳能 LED照明进行了分析论证。

本文首次提出一种具有侧面出风口的散热系统，以实现对大功率LED模块的高效散热，整个系统采用开放形式，借助于底部风机将环境空气带入到系统中冷却大功率LED模块，从而保证LED芯片在结温下安全、低噪音、稳定运行。

2 侧面封装基本结构及原理

如图1，该侧面出风冷却LED散热系统［13］主要由7部分组成，相应功能如下:

(1)基座:对整个装置起到支撑作用，并为风机提供安装的空间和空气入口;

(2)进风口:在风机所提供的负压下，成为空气进入冷却系统的进口;

(3)送风槽:整个送风槽为中空结构。用于为空气提供环绕安装板一周的流道，同时还能起到稳流的作用;

(4)LED模块 (详见图2):被冷却的部件;该LED模块在实际中是通过涂抹导热硅脂并且利用螺纹等机械固定部件与安装板5相连。

(5)安装板:一方面，用于LED模块的安装固定。另一方面，当LED芯片功率很大时，安装板可以采用导热金属板来加强LED芯片与气流之间的换热;

图1 侧面出风冷却LED散热系统

图2 LED模块结构图

(6)风机:为整个散热系统提供动力，驱使空气从进风口进入流道;

(7)前端侧面出风口:在环形送风槽上开出的一个围绕送风槽的开口。此外，为了加强换热效果，还可以在安装板的背面再开一个后端侧面出风口，以直接冷却安装板的背面。

当LED需要冷却时，启动风机6，在风机形成的负压作用下，外界空气通过基座1周围的进风口2沿着基座到达环形送风槽3，再通过送风槽上的出风口7外掠安装板和LED模块。

考虑到当前LED模块已做得比较薄，可以直接将LED模块贴在安装板上。如图3，芯片产生的热量通过高速气流最后达到环境中，存在3条散热通路:(1)直接由前端封装材料表面与空气进行热交换;(2)芯片热量通过LED模块基座将大部分热量传给安装板，安装板再与高速气流进行热交换;(3)LED模块基座前端与高速气流直接进行热交换。这样LED芯片产生的热量可通过三条路径被高速气流带走，从而确保LED安全稳定的运行。

图3 LED芯片散热的三条途径

侧面出风冷却LED散热系统的主要优点在于:(1)摈弃了传统肋片散热形式，有利于减小散热系统的体积，可以使得整个系统做得更加轻薄，从而更好地发挥LED美观轻巧的优势;(2)将风机封装在基座中，一方面可以通过设置隔音设施减小噪音;另一方面可以通过封装对风机起到保护作用;最后，该结构还有利于更加灵活地选取风机;(3)除了能够将LED芯片从底部散出的热量及时带到环境中之外，还能有效地利用LED封装模块前端表面空间，从而扩充了散热面积。特别是还能降低LED模块封装材料的温度，从而可以延长LED封装材料的使用寿命，防止色坐标偏移和封装材料内荧光粉的光致效率降低。

3 数值计算模型

本文模拟的侧面出风冷却LED的散热系统简化模型如图4，基座设置为半径为50 mm，高度为35 mm的圆柱形;将环形流道的截面简化成为矩形;安装板的半径为100 mm，板厚为3 mm;前后端侧面出风口的宽度各为4 mm;考虑现有市场上LED模块的实际尺寸和结构，将LED模型简化为80 mm×80 mm×1.5 mm的热源安装在安装板的中心;整个模型放置在500 mm×500 mm×500 mm的计算空间内，空间边界设置为压力出口边界条件。

进风口的风压设置在40～120Pa之间，LED功率设置为40～200W(本文由于主要考虑LED芯片的散热问题，故用一个均匀热源代替LED模块研究其散热问题，并不考虑其发光效率。在实际中，发光会消耗10% ～20%的功耗)。使用 Fluent软件对整个三维系统进行数值仿真研究。

图4 数值模拟计算模型

4 结果与讨论

4.1 出风口形式对LED芯片平均温度的影响

图5给出了120Pa风压下，在仅有前端侧面出风口、仅有后端侧面出风口以及前后端侧面出风口均同时存在时，不同功率LED芯片的温度。从中可以看出，在某个确定的功率值下，相比于仅有前端侧面出风口的情形，具有后端侧面出风口的结构会使LED芯片平均温度略低。这主要是因为，由于没有安装LED芯片，安装板后端相对于前端而言会更加平滑，导致从后端侧面出风口出来的高速气流相对于从前端出风口出来的气流会更加平稳。

从图中也可以看出，在前后端侧面出风口同时存在的条件下，LED芯片的温度最低。这是因为在同时具有前后端侧面出风口时，高速气流掠过的面积为安装板前端面积和后端面积之和;而在单个出风口的条件下，气流掠过的面积只是安装板的单面。这使得在同时具有前后端侧面出风口条件下散热面积最大，更有利于散热。这也表明，在传统的LED散热方式 (即将热量从LED芯片后端带走的形式，在本文中即通过后端侧面出风口将热量带走的形式)不能满足散热需求时，可以考虑同时冷却LED芯片前端和后端的形式 (即同时采取前后端侧面出风口的形式带走 LED芯片产生的热量)，来加强LED芯片的换热。

通过前端侧面出风口的形式冷却LED芯片的一个好处还在于，可以降低LED模块前端封装材料的温度，从而减缓其中的荧光粉和封装材料的老化和变性。

此外，图5曲线的大致走势也可以借助传热学方程理解，由对流换热方程:

式中:Tj——LED芯片的温度;

h——侧面出风口高速气流的对流换热系数;

A——气流掠过的面积;

Ta——环境温度。

由于在具有前后端侧面出风口的条件下，气流扫过的面积比单独有前端侧面出风口或者后端侧面出风口的条件下的面积要大，即:

所以，在某个确定的LED功率下，且环境温度和风压一定时:

而在出风口形式确定的情况下 (即对流换热系数h一定)，由公式 (1)可以看出，LED芯片的功率与其温度成线性增长的关系。而图5中的3条曲线都比较符合这一线性规律。

4.2 风压对LED芯片的影响

由图6可以看出，风压的增长会有效地降低LED的温度。由图可以看出，在风压由40 Pa增至80 Pa时，温度从84℃下降至74.8℃，几乎呈线性下降。这主要是因为:风压增大的同时出风口的流速也将对应增大，从而导致气流的对流换热系数变大，继而加强LED芯片与空气的热交换，最终降低LED芯片的温度。

图5 风压为120 Pa，三种不同形式侧面出风口条件下的LED模块芯片平均温度与LED热功率关系

图6 在具有前端侧面出风口条件下，LED模块热功率为100 W时，芯片平均温度与进口风压的关系

但是由图也可以看出，在风压由80 Pa增至120 Pa的过程中，虽然温度随着风压的增加而降低，但下降的幅度也逐渐变小。这主要因为:随着气流流速的加大，虽然有更多的气流流过安装板前端，但是由于气流速度过快，导致气流来不及与安装板或者LED模块前端发生热交换，从而使得下降的幅度变小。可以预计，随着压力的进一步增加，可能会存在一个阈值，使得风压在超过该阈值时，芯片的温度不再随着风压的变大而变大。该问题有待于在今后的研究中进一步验证。

图7为不同功率LED在具有前端出风口的条件下，风压分别为40 Pa和120 Pa时的芯片平均温度。可以看出，在某个确定的功率下，120 Pa的风压会更加有效地降低LED的芯片平均温度。比如在功率为120W时，当风压为40 Pa时，LED芯片平均温度为79℃，而当风压为120 Pa时，芯片的温度为96℃，相差为17℃。这就表明，为了降低LED芯片的温度，可以适当地选取更大的风压来保证芯片在额定温度 (120℃)以下工作。但也要注意，一方面，较大的风压意味着风机要消耗更多的能量，为了保证LED系统节能的优点，应该在其温度和风压值之间做个平衡。另一方面，由图6的讨论可以看出，风压的选取也应该在一定的范围之内，超过一定的阈值时，风压的大小可能并不一定能降低芯片平均温度。在这种情况下，应该依据LED的功率大小，整个系统的尺寸，风机的耗功，根据具体需要模拟计算确定。

图7 在具有前端侧面出风口条件下，风压分别为120 Pa和40 Pa时，LED模块芯片平均温度和LED模块功率的关系

4.3 三种不同出风口形式下，40W LED在风压为120 Pa，环境温度为27℃时的温度和气流分布

图8为前端侧面出风口条件下的温度云图和气流矢量图。从中可以看出，热源的温升为17℃，最大气流速度位于出风口。在气流外掠安装板的过程中，气流速度衰减很快。并且由于气流沿环形流道射出，气流互相冲击，在中心偏上一点的地方形成两个较大的漩涡，这也加强了气流的紊流，有利于LED热量的散出。图9、图10分别为具有后端侧面出风口和同时具有前后端侧面出风口条件下的温度云图和气流矢量图。

此外，在速度矢量图中可以看出，气体流速比较高，空间上的流速基本在1～5m/s之间，使得这种开放式结构可以直接应用于室外。但是，如果需要将这种结构应用于室内的话，高速气流会对人产生一定的影响，应该采用大的灯罩等结构对空间气流进行有效地控制。相应改进有待于在今后的研究中展开。

图8 在具有前端侧面出风口条件下，40W LED在风压为120 Pa时

图9 后端出风口条件下，40W LED在风压为120 Pa时

图10 同时具有前后端出风口条件下，40W LED在风压为120 Pa时

5 总结

本文提出了一种侧面出风冷却LED的新型散热封装系统，详细阐述了这种散热结构的组成及原理，对其进行了传热学建模，并对新系统在不同风压，三种不同出风口结构 (前端侧面出风口，后端侧面出风口，前后端侧面出风口)和不同LED热功率下的温度进行了评估。主要结论如下:

(1)新型散热系统能够有效地降低LED芯片的温度。在具有前后端出风口条件下，40W LED在27℃室温，120 Pa进口风压时，芯片温升仅为15℃。

(2)LED芯片平均温度与其模块功率有密切关系，呈线性增长的关系。

(3)侧面出风口形式对LED芯片的温度有影响，其中，后端侧面出风口结构会稍微优于前端侧面出风口。但是当同时开启前后端侧面出风口时，效果会优于单个侧面出风口，这主要是因为前者同时冷却了安装板的前后端，增加了散热面积。

(4)在一定范围内，为了更加有效地降低LED芯片平均温度，可以适当地增加风压。但需注意的是:一方面，较大的风压意味着风机要消耗更多的能量，为了保证LED模块节能的优点，应该在其温度和风压值之间做个平衡。另一方面，风压的选取也应该在一定的范围之内，超过一定阈值时，风压的大小并不能降低结点温度。在这种情况下，应该根据LED的功率大小，整个系统的尺寸，风机的耗功，视具体需要模拟计算确定。

(5)新型散热结构，摒弃了传统的肋片和风扇结构，具有能够减小系统体积的优点。并且将风机封装在基座中，可以更加灵活地选取风机，从而有效地实施隔音处理。

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