大功率 LED 汽车前照灯散热系统设计

针对大功率发光二极管(Light-emitting diode, LED)对结点温度要求严格控制的特点,提出一种基于导热板+热沉的散热技术来满足LED 前照灯散热封装的需求。通过数值模拟和试验方法研究了芯片的结温随环境温度、导热板长度、散热器倾斜角度、芯片封装深度的变化规律,试验值与数值模拟值基本吻合。结果均表明,环境温度及散热器的倾斜角对芯片结温有较大影响,芯片结温随环境温度基本呈线性变化关系,散热装置水平放置的散热效果最高。     

大功率LED典型热沉结构散热性能分析

设计了三种大功率LED照明装置,并对其二次热沉散热进行了散热原理比较、实验性能分析,建立了热阻网络模型,对其进行了结温计算和寿命预测,发现微热管、薄肋片、风扇可以很好地实现散热.利用正交试验法对LED照明装置结温的影响因素进行了模拟分析,发现自然对流条件下,对流换热系数的影响可忽略不计,而需尽量提高导热环节的热导率并结合其散热能力进行功率的控制.为微热管散热技术提供了技术参考,为大功率LED器件的二次热沉散热提供了有效的实现途径.     

陶瓷复合FR4结构界面形貌与导热性能

基于热电分离式设计理念,将AlN陶瓷片金属化后作为微散热器嵌入FR4材料内形成了复合散热基板.采用电镜扫描、光学显微,通过冷热循环冲击试验对FR4与AlN两相界面处在高低温突变情况下的界面形貌进行了分析.利用ANSYS软件对基板进行了仿真热模拟,研究了AlN嵌入后FR4导热性能的变化规律.利用结温测试仪、功率计和半导体制冷温控台等仪器设备,通过结温测试对比研究了该复合散热结构与金属芯印刷电路板(MCPCB)对大功率LED封装散热效果的影响.结果表明,该复合散热基板在经低温-55℃,高温125℃,1 000个冷热循环后,FR4和AlN界面无剥离现象发生,在环境温度急剧变化的条件下结合力良好.同时,FR4在嵌入AlN之后,导热性能得到了明显改善,且与MCPCB相比,能更有效降低LED芯片结温.     

基于倒装焊芯片的功率型LED热特性分析

对LED的导散热理论进行了研究,推导出了倒装焊LED芯片结温与封装材料热传导系数之间的关系。通过分析倒装焊LED的焊球材料、衬底粘结材料和芯片内部热沉材料对芯片结温的影响,表明衬底粘结材料对LED的结温影响最大,并且封装材料热传导系数的变化率与封装结构的传热厚度成反比,与传热面积成正比。该研究为倒装焊LED封装结构和材料的设计提供了理论支持。     

大功率LED的寿命与散热技术的研究进展

介绍了大功率发光二极管(LED)的工作原理,总结和分析了国内外文献中关于电流、结温与环境湿度对大功率LED寿命影响的研究进展,指出结点温度是决定LED寿命的最重要因素,详细评述了国内外关于大功率LED的界面热阻优化、封装热沉和散热基板设计两个方面的研究进展,为改良LED散热结构和延长大功率LED的使用寿命提供了有效的理论依据及研究方向.     

两种热电分离式基板导热性能的对比研究

基于热电分离式设计理念，开发出FR4/Cu与FR4/AlN两种高导热散热基板，并利用SMT工艺将13Ｗ的Osram S2W型LED灯珠分别与上述两种散热基板焊接后组装成LED模组，利用半导体制冷温控台恒定散热基板底部温度后，使用结温测试仪对LED的结温进行了测试，同时借助直流电源和积分球分别对LED的总功率和光功率进行了测量后得到了模组的热功率值。最后根据LED结温测试结果与热功率值计算得出了模组的热阻值，并在此基础上对两种基板的散热性能进行了对比研究。结果表明，FR4/AlN基板的散热性能较之FR4/Cu基板稍逊，当使用FR4/Cu基板散热时，LED的结温和热阻分别是49.72 ℃ 、2.21℃ /Ｗ，当使用FR4/AlN基板散热时LED的结温和热阻分别是51.32 ℃、2.32℃/Ｗ。     

基于有限元分析的LED肋片散热器非等距排列研究

为了降低LED芯片的结温,国内外的专家和学者主要从改进LED的封装结构,选取合适的LED封装材料等方面来研究。通过对比分析各种散热方法,本论文指出散热器对降低LED芯片的结温有很大的作用,并且散热器的散热面积越大越好,选择合适的散热片来增加散热面积将是一个重点[3]。本文通过有限元软件对模型进行仿真分析。通过改变散热器的肋片的形状,排列方式以及制作材料来比较在不同状况下的温度场分布,对比分析出这些参数对LED芯片结温的影响。     

UV-LED印刷灯散热系统设计研究

对大功率LED而言, 如何保持芯片结温在允许的范围内, 是散热系统设计的关键。针对大功率UV-LED印刷灯, 设计了热管加风冷翅片的散热模型方案, 采用热分析软件模拟得到散热模型的温度和流动分布, 并对散热模组进行不同输入功率下的实验测试, 对比分析了仿真模拟和实验测试的芯片结温值和热沉到环境热阻值等结果, 发现仿真模拟和实验测试结果有较好的一致性, 说明热管加风冷翅片比传统风冷翅片有更好的散热性能。     

改善大功率LED散热的关键问题

考虑热导率与散热方式的影响,使用大型有限元软件ANSYS10.0模拟并分析了大功率LED热分布.通过分析不同封装、热沉材料及散热方式对LED热分布与最大散热能力的影响,指出解决LED散热问题的关键不是寻找高热导率的材料,而是改变LED的散热结构或者散热方式.     

基于平板热管的大功率LED散热系统模拟及优化

为解决大功率LED的散热问题,设计了平板热管散热器来实现LED芯片的高效散热。通过Flotherm模拟软件,对大功率LED在自然对流条件下的散热情况进行了三维数值模拟。通过平板热管与常规铜、铝散热基板对比,发现平板热管有效降低了大功率功率LED的结温和热阻,使得LED温度分布更为均匀。此外,还研究了平板热管LED散热系统在不同芯片功率下的热性能,并对四种不同排布方式的LED平板热管散热系统进行了优化,发现阵列分布其温度分布最为均匀,结温最低,是较优的排布方式。     

高功率LED热管理方法研究最新进展

LED芯片结温的高低直接影响其出光效率、工作寿命和可靠性。在分析系统各个环节热阻的基础上,详细评述了高功率LED产品从芯片到系统级的热管理研究新动向,包括:自然对流冷却,采用压电风扇、电离方法所进行的强迫空气对流冷却,采用水、液态金属作为冷却工质的液冷方法,采用热管实现的相变冷却,采用热电片进行的固态冷却方案以及利用热电片对余热进行回收利用的热管热回收方案和液体金属冷却方法。并在上述基础上提出了发展更高功率密度LED热管理方法的关键科学问题。     

平板微热管阵列在LED散热装置中的应用

针对目前大功率LED灯的散热问题,研制了高效散热器件——平板微热管阵列。实验表明,平板微热管阵列具有良好的热输运能力,当蒸发段表面温度为69.5℃时,热流密度能够达到143.2 W/cm2。利用该平板微热管阵列设计了用于LED散热的散热装置,并进行了相关的实验测试和模拟研究。结果表明,该散热装置散热效果良好,测得的光源基座处的温度均低于70℃,大大低于对结温的要求。模拟结果与实验结果误差在4%以内,模型合理,可以用于该散热装置的优化设计。     

改善大功率LED散热的关键问题

考虑热导率与散热方式的影响,使用大型有限元软件ANSYS10．0模拟并分析了大功率LED热分布。通过分析不同封装、热沉材料及散热方式对LED热分布与最大散热能力的影响,指出解决LED散热问题的关键不是寻找高热导率的材料,而是改变LED的散热结构或者散热方式。     

Thermal analysis of high power LED package with heat pipe heat sink

The goal of this study is to improve the thermal characteristics of high power LED (light-emitting diode) package using a flat heat pipe (FHP). The heat-release characteristics of high power LED package are analyzed and a novel flat heat pipe (FHP) cooling device for high power LED is developed. The thermal capabilities, including startup performance, temperature uniformity and thermal resistance of high power LED package with flat heat pipe heat sink have been investigated experimentally. The obtained results indicate that the junction temperature of LED is about 52 °C for the input power of 3 W, and correspondingly the total thermal resistance of LED system is 8.8 K/W. The impact of the different filling rates and inclination angles of the heat pipe to the heat transfer performance of the heat pipe should be evaluated before such a structure of heat pipe cooling system is used to cool high power LED system.     

Phase-change immersion cooling high power light emitting diodes and heat transfer improvement

A new cooling method of ethanol direct-contact phase-change immersion cooling was proposed in the thermal management of high power light emitting diodes (LED) and the feasibility of this cooling method was investigated. The heat generated by LED was measured firstly using two types of power systems: DC power and LED driver. Then the heat dissipation performance was evaluated under different experimental conditions. The results indicate that startup process of the cooling system is quick and only 450 s is needed to reach steady-state under heat load of 42.78 W. The minimum thermal resistance of 1.233 °C/W is obtained when liquid filling ratio is 33.14%. The junction temperature of LED under different absolute pressures is much lower than the limited value of 120 °C. Baffle with total height of 140 mm, bottom space height of 20 mm and distance away from substrate surface of LED of 8 mm improves heat transfer performance best due to ethanol self-circulating in the cooling receiver. Overall, the ethanol phase-change immersion cooling is an effective way to make sure high power LED work reliably and high efficiently.     

Novel Thermoelectric Modules for Cooling Powerful LEDs: Experimental Results

We present the results of an experimental study of a cooling system based on a novel thermoelectric module specifically designed for thermal management of high-power light-emitting diodes (LEDs). The Seoul Semiconductor LED W724C0 device was chosen for experimental validation of the efficiency of the proposed cooling unit. Two cooling systems with identical heat sinks were tested for comparison: a state-of-the-art one based on an insulated metal substrate-printed circuit board (IMS-PCB), and a system with thermoelectric cooling. The obtained results show that use of thermoelectrics results in a considerable reduction of the LED operating temperature, providing increased light output and greatly increased LED lifetime.     

基于微通道致冷的大功率LED阵列封装热分析

采用微通道致冷技术,设计了大功率LED阵列封装的微通道致冷结构,并应用热分析软件模拟了其热性能,探讨不同鳍片结构尺寸、流速、功率等参数对LED多芯片散热效果的影响.文中提出了采用交错通道以提高LED封装的散热能力,模拟结果显示,交错微通道致冷的封装结构能很好地满足大功率LED阵列的散热需要.     

LED光源在矿井工作面照明灯中的应用

对目前我国煤矿用灯作了简单的介绍,指出了煤矿用灯的发展方向应为节能、本质安全型;阐述了采煤工作面本质安全型LED照明灯应该具备的条件,分析了LED的发光机理.通过光谱分析,得出了LED在实际照明应用中散热的重要性;介绍了LED灯的一次散热方法及二次散热方法;对LED灯隔爆兼本安驱动电路作了设计并对小功率LED灯进行了合理的排列,结果表明隔爆兼本质安全型LED照明灯在采煤工作面是完全可以应用并具备广泛发展前景的.     

Thermal design and simulation of automotive headlamps using white LEDs

With an urgent need for energy conservation and pollution reduction, the trend of replacing traditional incandescent or fluorescent lamps with high-power LEDs is growing more and more popular. In this research, high power white LED chips are used in automotive headlamp low beam system design. Several different cooling devices are designed for headlamp cooling, the heat dissipation performances are simulated and analysed both by the finite volume method (FVM) in FloEFD and experimental measurements. The simulation and experimental results show that nature convection cooling is not an effective method for LED headlamp cooling. Heat sink combined with heat pipes technology can greatly improve the heat dissipation performance. When the liquid filled ratio is 10%, heat pipes with evaporator length 30 mm, adiabatic section length 40 mm and condenser length 50 mm have the best cooling performance. Cooling device with heat pipes placed dispersedly makes the junction temperature lower than cooling device with heat pipes isometric placed in the same plane. The liquid filled ratio of heat pipes can influence the equivalent heat transfer coefficient significantly, and the optimal filling rate is 30% in our study.     

基于LED照明灯具的散热片设计与分析

新一代大功率白光LED光源具有很多优点,如节能、环保、寿命长等,但大功率LED的散热也是一个至关重要的问题。如果LED散热问题解决不好,LED灯具工作一段时间后就会输出光功率减小,芯片加速老化,工作寿命缩短。文章从LED散热问题着手,详细介绍了目前广泛商用的大功率LED器件结构及导热途径、所用散热基片的特点,以及LED所用的散热片设计和计算方法。另外介绍了一种大功率LED在散热片上不同位置温度变化的测试结果,并推导出用于计算LED器件散热的有效公式。