缩减高功率LED开发之CFD模拟散热

　　高功率LED的应用日益扩大，但散热问题仍是厂商头痛的课题，而现可借由计算动力分析模型进行LED封装的热能分析，以降低产品设计初期的复杂度，加快产品上市时间。
 
　　高功率、高亮度发光二极管(LED)由于具有良好的色彩饱和度、长效寿命，目前正逐渐切入众多照明应用，不过要如何避免LED过热，却是散热设计工程师必须面对的重大考验，因此在设计过程中，计算流体动力分析(Computational Fluid Dynamic, CFD)模型的重要性也愈益突显。本文中将比较采用星形金属核心印刷电路板(MCPCB)的高功率LED，包装在搭配与未使用散热片情况下的实验结果，在进行比较讨论后，将提供一个应用在搭配散热片LED包装上的温度模型建立技术，由此看来，采用CFD模型所取得的结果相当可行，同时也展现出此项技术可应用在LED系统层级的评估上，文章中并将讨论在LED包装上采用散热接口材料(Thermal Interface Material, TIM)所带来的效应。  

　　预估LED散热　简化产品设计  

　　能够预先推估LED的散热效能表现，对协助设计工程师有效缩短采用LED产品的上市时间已是不容忽略的事实，不过，当热能流动与封装密度越来越高时，LED封装模块的散热设计就变得更加困难，同时模块的设计与热能分析也更为重要，因此CFD的仿真已成为电子产品设计初期热能分析普遍使用的方法，CFD主要包含有流体流动、热传导以及热幅射等相关程序的数值仿真分析。  

　　本篇文章提出建立一个带有散热片高功率LED星形封装的步骤，首先针对采用星形基体的LED封装建立详细的模型，接着在LED星形封装的底部加上散热片，最后再将仿真结果与实验数据进行比较。  

　　文章的另一个重点则在于TIM对LED封装带来的影响，主要目的是用来找出不同接口厚度(Bond Line Thickness, BLT)散热接口材料的特性，以及材料中空隙的百分比。

　　依温度模型建立技术  

　　采用星形基体的LED封装使用Flomeric出品的CFD工具Flotherm来建立模型。
  
　　模型描述为首要工作  

　　首先建立详细的模型，以便找出与实际测量结果间的误差百分比，LED封装的详细尺寸参数以及包装材料的热传导能力参考表1。
　　表1　带散热片LED星状包装的结构细节以及包装材料的导热能力

　　图1分别为LED封装的前视图与布局安排，封装与基体间加入焊膏，当包装达到1.3瓦的最大功率时，使用标准的自然与强制对流空气散热方式，并无法将接面温度维持在125℃以下的可接收范围内，因此须加上散热片以能符合目标温度的要求，要将散热片封装在LED上，首先要把导热胶带黏贴在散热片后端，接着将散热片封装在LED基体的底部。 

　 　图1　上图为安华高科技Moonstone星形包装功率LED ASMT-Mx09的前视图与侧视图。下图为采用星形包装的LED产品ASMT-Mx09。

　　再设定栅格/边界条件  

　　要进行CFD分析，须先假设三维空间、稳定状态、稳定气流、空气特性稳定、环境温度为25℃、计算范围为305毫米×305毫米×305毫米，以及散热方式透过自然散热、热传导与热辐射的条件。  
详细散热片模型的基体LED包装整体栅格数大约为二十万个，在栅格数设定上，建议在散热片每个鳍片间至少使用三个。 
 
　　剖析热阻/数值/实验结果
  
　　接着要计算热阻、数值分析以及实验结果。  

　　测量介电层以计算热阻  

　　要计算垂直通过芯片的热阻，须测量芯片黏合层、芯片垫片、TIM、散热片以及与基体间的介电层，每阶层都各自拥有自己的导热特性(表2)，其中通过芯片，也就是接面到外部环境的热阻Rja可透过方程式(1)、(2)加以计算：
　　
　　其中RJ-MS＝10 ℃/W  
　　Rja代表热能由LED芯片传递到外界的能力，也就是说，Rja的数值越低、散热效能越好，图2分别显示封装结构的3D、2D横切面图，有助于了解整个散热路径。 

 
图2　上图为LED星状包装的3D剖面图，下图为带散热片LED星状封装的2D剖面图。

　　进行数值分析/实验结果分析  

　　安排在MCPCB上的LED封装通常采用铝挤方式做为基底，一百一十根鳍片的鳍片型散热片则透过导热胶带黏贴在星形MCPCB背面，封装以1.2瓦驱动，焊接点的温度TMetalSlug则透过安排在封装散热块上的热电偶加以测量(图3)，测量只有在温度到达稳定时才进行。 

 
图3　Moonstone LED封装上的测量点

　　表2为仿真模型结果与测量数据的比较，可视化仿真结果分别显示在图4，当仿真结果温度高于测量温度时，代表数值模型忽略部分的冷却现象。
　　表2　仿真结果与测量数据的比较

　　图4　上图为LED星形封装的可视化模拟结果，下图为详细散热片模型的MCPCB LED封装可视化仿真结果。

　　TIM协助LED散热

　　TIM在帮助LED封装时，将热能传导到电路板或散热片上扮演相当重要的角色，在图2中，TIM 1位于LED封装与基体间，使用不同的热传导值以及不同的BLT来进行模拟。  

　　由图5中可看出，带散热片基体Moonstone封装的接口厚度越厚，接口热阻受到TIM 1材料热传导能力的影响就越明显，图中显示，当接口厚度提高时，热阻的增加会更容易受到热传导能力的影响，不过不同热传导值、接口厚度间的影响并不明显。 

 
图5　TIM对热阻RJA的影响。

　　两个实体表面间的空气间隙会降低热传导能力，TIM则可用来将两个相邻实体表面黏合并提高LED散热块(发热源)与金属核心PCB/FR4 PCB(散热片)间的接触面积，因此能够降低这个连接面的温度差。  

　　图6中的RJA预估值为TIM 1接触面质量对散热效能影响的数值模拟研究结果，其中假设唯一的空隙点位于整体体积的中心区域。 

 
图6　TIM 1接触面积百分比大小对RJA的影响。

　　RJA最高大约增加2%，同时只在接触面积区域为85%时会发生，此代表夹在TIM 1内部的空隙可高达15%，而不会造成明显的散热效能影响，不过，由于模型的一些假设条件，这个预估结果的误差率有可能达到20%，因此须进行其他实验来验证这个数据。  

　　表3列出TIM材料的特性以及可用性，这些TIM材料在市场相当普遍，各有其优劣势。
　　
 
　　提高散热效能方案纷出炉  

　　除了使用TIM材料来强化散热效能外，尚有一些可用来改善散热能力设计的方法，包括散热片的尺寸、表面结构以及面向的安排；采用系统机壳气流路径设计加强自然对流冷却；以及使用主动式冷却系统，如风扇或导热管来移除热空气，并协助自然对流冷却。

　　这个研究展现出CFD的模型建立技术如何应用，以模拟带散热片的LED星形封装，结果清楚地显示，仿真模型可提供相当符合实际测量的结果，由此可知，CFD是协助设计工程师将高功率LED导入实际应用的良好工具，同时它的误差百分比也在工业应用可接受的范围内。  

　　此外，热阻的增加较易受到接触面积的影响，接口厚度增加带来的TIM材质热传导能力则较不明显，而TIM 1内部高达15%的空隙为可接受的范围，同时不会造成明显的散热效能影响。 

　　PID 控制系统软启动效果图如图3 所示。通过串行通信端口com1 通信， 电压单位mV、电流单位mA， 功率单位mW， 时间单位s.

　　从图3 的软启动效果图可以看出， 在恒定电压、电流、功率的模式下工作时， 系统开机过程超调量很小， 有效地控制了启动过程， 防止了启动过程产生过大的扰动电压， 产生过大的功率， 有效地保护了负载。

　　3 实验结果

　　由于输出电流达到8 A， 对电源的功率要求较高， 易产生噪声， 这种随机噪声也会对输出电流产生一定的影响。为减弱这种噪声， 各个模块分别供电， 以减少交叉干扰， 同时在电路板上多加装去耦滤波电容， 减小干扰的影响， 同时OPA549 能有效地抑制纹波。影响电源稳定性的因素很多， 如负载的变化、取样电阻的变化、A/D、D/A 的影响等。如图4 所示， 不同负载的情况下， 电源误差不同。10 W 的负载， 由于功率较低， 在电压、电流增加时， 误差变化也较小。35 W 的负载， 由于功率较大， 工作电流的变化范围比较大， 功耗较大， 电源的误差变化相应地也比较大。如图5， 在10 W、20 W 和35 W 的负载时， 工作状态稳定， 能够满足大电流、大功率的需要。

　　该系统利用PID 算法进行控制， 采用大功率运放OPA549 输出电流在0~8 A 范围内可调， 最大峰值可达到10 A， 能够有效抑制纹波电流， 克服了传统电流源输出电流范围小的缺点。可设置并能实时显示输出电压、电流、功率实测值， 具有“+ ” ， “- ” 步进调整功能， 输出可在LCD12864 显示， 同时通过RS232 与上位机同步通信， 直接显示， 保存实验数据。通过对测试结果的分析，系统在软启动的过程中， 超调量很小， 启动效果很好， 避免了对负载的冲击。由于大功率调整管的电流大范围变化时， 经过软件补偿、放大电路调整等方法解决线性度较差，实测值和设定值存在偏差的问题。该电源适用于大功率的场合，本电源具有很好的实用性。