高功率高亮度發光二極體(LED)以其出色的色彩飽和度和使用壽命長的特點正滲透到一些照明應用中。然而，對熱設計師來說，防止LED過熱是最具挑戰性的任務。因此，通過計算流體動力(CFD)模擬LED組件在應用設計過程中變得越來越重要。本文分別比較了有散熱器和無散熱器時在星型金屬芯印刷電路板(MCPCB)上使用高功率LED封裝的實驗結果。比較討論之后，就帶散熱器時LED封裝的散熱建模技術案例做了闡述。 CFD建模結果充滿了希望，并說明這種技術可用于LED系統級的評估。本文還討論了在LED封裝中使用散熱介面材料的影響。

　　預測LED熱性能正成為幫助縮短上市時間所不可或缺的一種能力。然而，隨著熱通量和封裝密度日益增加，LED封裝模塊的散熱正變得越來越具挑戰性，熱分析和LED模塊設計也變得越來越重要。因此，在設計早期CFD仿真已成為一種廣泛使用的電子產品熱分析方法。CFD與流體流動的數值分析，熱傳導和其他相關過程如輻射一同受到關注。

　　本文介紹了生成帶有散熱器的高功率LED星型封裝所需完成的工序。首先，生成詳細的LED封裝星型襯底模型，然后在LED星型封裝底部生成散熱器。最后，將模擬數據同實驗數據相比較。另外我們所關注的方面是LED封裝上散熱介面材(TIM)產生的影響。目的是顯示不同焊線厚度(BLT)下TIM的特點和陷入 TIM內的空隙的百分比。

　　熱建模技術

　　使用Flotherm——來自Flomerics公司的CFD工具，模擬LED封裝即星型襯底(MCPCB)。建立詳細模型，以比較與實際測量值的錯誤百分率。圖1所示為LED封裝配置。焊料填補在封裝和襯底間。當封裝達到最大功率1.3瓦時，標準自然和強迫對流空氣冷卻都無法將結溫保持在可接受范圍之內，即125℃及以下。 附加的散熱器作用在于幫助達到溫度要求。為了在LED上安裝散熱器，需將熱粘合帶連接到散熱器背面，并將該散熱器安放在LED襯底底部。

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　　網格，邊界條件

　　對于CFD分析，下列屬性可假設為：三維，穩態，靜態氣流和空氣屬性是常數，環境溫度為25度，計算域為305 x 305 x 305毫米，且通過自然對流，傳導和輻射進行散熱。

　　帶有詳細散熱器模型的LED封裝襯底的總網格單元大約為200000。對于網格單元的生成，建議散熱器翅片間至少采用三個單元。

　　熱阻計算

　　計算熱阻值，需測量垂直通過芯片，芯片連接層，管芯焊盤，散熱介面材，散熱器和電介質層直到襯底的熱流情況。每一層都具有自己的熱特性(見表1)。通過使用下列方程，可計算得到從芯片(交界處)到四周的熱阻值。

　　RJA代表熱量如何從LED芯片向四周消退，這意味著較低的RJA值意味著更好的熱性能。圖2所示的是三維和二維截面封裝結構。

　　數值模擬 vs 實際試驗

　　LED封裝安裝在星型MCPCB上。散熱器是典型的翅片式，共有110個翅片，其底座是由擠壓鋁制成，采用熱粘合帶將其連接到星型MCPCB背面。該封裝以1.2瓦功率驅動，通過封裝金屬芯上的熱電偶來測量焊接點溫度(Tmetalslug)。只有在溫度達到飽和后才能進行測量。

　　表1所示的是仿真模型的測量數據比較。當模擬溫度高于測量溫度時，它表明數值模型無法考慮到一些冷卻現象。

　　TIM的影響

　　熱量從LED封裝擴散到電路板或散熱器過程中TIM發揮了關鍵性作用。圖2中，TIM1位于LED封裝和襯底間。使用不同的熱導率值和不同的焊線厚度進行仿真模擬。

　　如圖3所示：襯底上帶有散熱器的Moonstone封裝，隨著焊線厚度的增加， TIM1熱傳導率對介面熱阻的影響也不斷增加，這表明，隨著焊線厚度的增加，熱阻增加對熱傳導率更為敏感。不過，不同熱傳導率值和不同焊線厚度的影響并不顯著。

　　兩不一致的固體表面間的空隙會減少熱傳導,而TIMs符合相鄰固體表面的微觀表面輪廓，并增加LED金屬片(熱源)與金屬芯PCB/FR4 PCB(散熱器)間的接觸面積。因此，它能夠減少接觸面積的溫降。

　　熱設計考慮

　　除利用TIMs提高熱性能以外，以下是其它熱設計方面的改進：散熱器的幾何形狀和表面構造，以及它的方向位置;系統采用封閉式空氣流動路徑設計，促進自然對流冷卻;使用能動式制冷系統，如風扇和熱管，消除熱空氣，增加自然對流冷卻。

　　本文闡述如何將CFD建模技術用于模擬帶有散熱器的LED星型封裝。結果表明，該仿真模型為實際測量提供了可喜的成果。CFD是一個很好的工具，它協助設計工程師將功率式LED用于實際應用，工業應用中其誤差率也是可接受的。隨著焊線厚度增加，與TIM熱導率相比，熱阻的增加對接觸面積更為敏感，陷入TIM1內的空隙百分比(高達15%)也是可接受的，且它不會造成任何顯著的熱性能下降。