目前，很多功率型LED的驅動電流達到70mA、100mA甚至1A，這將會引起芯片內部熱量聚集，導致發(fā)光波長漂移、出光效率下降、熒光粉加速老化以及使用壽命縮短等一系列問題。業(yè)內已經對大功率LED的散熱問題作出了很多的努力：通過對芯片外延結構優(yōu)化設計，使用表面粗化技術等提高芯片內外量子效率，減少無輻射復合產生的晶格振蕩，從根本上減少散熱組件負荷;通過優(yōu)化封裝結構、材料，選擇以鋁基為主的金屬芯印刷電路板(MCPCB)，使用陶瓷、復合金屬基板等方法，加快熱量從外延層向散熱基板散發(fā)。
一、引言
目前，很多功率型LED的驅動電流達到70mA、100mA甚至1A，這將會引起芯片內部熱量聚集，導致發(fā)光波長漂移、出光效率下降、熒光粉加速老化以及使用壽命縮短等一系列問題。業(yè)內已經對大功率LED的散熱問題作出了很多的努力：通過對芯片外延結構優(yōu)化設計，使用表面粗化技術等提高芯片內外量子效率，減少無輻射復合產生的晶格振蕩，從根本上減少散熱組件負荷;通過優(yōu)化封裝結構、材料，選擇以鋁基為主的金屬芯印刷電路板(MCPCB)，使用陶瓷、復合金屬基板等方法，加快熱量從外延層向散熱基板散發(fā)。多數(shù)廠家還建議在高性能要求場合中使用散熱片，依靠強對流散熱等方法促進大功率LED散熱。盡管如此，單個LED產品目前也僅處于1～10 W級的水平，散熱能力仍亟待提高。相當多的研究將精力集中于尋找高熱導率熱沉與封裝材料，然而當LED功率達到lO W以上時，這種關注遇到了相當大的阻力。即使施加了風冷強對流方式，犧牲了成本優(yōu)勢，也未能獲得令人滿意的變化。
討論在現(xiàn)有結構、LED封裝及熱沉材料熱導率等因素變化對于其最大功率的影響，尋找影響LED散熱的關鍵因素。研究方法為有限元熱分析法.該方法已有實驗驗證了LED有限元模型與其真實器件之間的差別，證明其在誤差許可范圍內是準確可行的。
二、建立模型
1、有限元熱分析理論
三維直角坐標系中的瞬態(tài)溫度場場變量T(x，y，z，t)滿足：
式中：T/x，T/y，T/z為沿x，y，z方向的溫度梯度;λxx,λyy，λzz為熱導率;q0為單位體積的熱生成;ρc是密度與比熱容的乘積：dT/dt為溫度隨時間的變化率。
式中：Vx，Vy,Vz為媒介傳導速率。
對于穩(wěn)態(tài)熱分析而言，T/t=0，式(1)可化簡為：
根據(jù)式(3)、邊界條件與初始條件，利用迭代法或者消去法求解，得出熱分析結果。
2、幾何模型的建立
圖1為依據(jù)常見1w大功率LED尺寸建立并簡化、海鷗翼封裝鋁熱沉的大功率LED圖形，底座接在MCPCB鋁基板上。主要數(shù)據(jù)：芯片尺寸為1mm×1mm×O.25mm，透鏡為直徑是13mm的半球。硅襯底為邊長17mm，高0.25mm的正六棱柱，MCPCB為直徑20mm，高1.75mm的六角星形鋁質基板。
3、有限元模型的建立
模型采用ANSYSl0.0計算，為方便分析，假設模型：
LED輸入功率為1W，光效率取10%；封裝體外部的各組件(包括MCPCB、陶瓷封裝、熱沉的外部)通過與空氣的對流散熱；器件與外界的熱對流系數(shù)為20。工作環(huán)境溫度為25℃；器件滿足使用ANSYS軟件進行穩(wěn)態(tài)有限元熱分析的條件；最大結溫選擇為125℃。各種材料的參數(shù)如表1所示。
三、各種因素對于散熱能力的影響
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