高功率LED封裝的熱建模技術(shù)

發(fā)光二極管(LED)組件的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)建模變得越來(lái)越重要，因?yàn)樗F(xiàn)在被應(yīng)用于設(shè)計(jì)過(guò)程。本文將Avago Technologies的高功率LED封裝(ASMT-MX00)在金屬芯印刷電路板(MCPCB)和雙層FR4基板上的結(jié)果與散熱器與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。在比較討論之后，注意到用于具有散熱器的LED封裝的熱建模技術(shù)。結(jié)果非常令人印象深刻，表明該技術(shù)可用于LED系統(tǒng)級(jí)別。

命名法

RJA結(jié)至環(huán)境熱阻(°C/W)RJB結(jié)點(diǎn)至焊點(diǎn)熱阻(°C/W) )RBA焊點(diǎn)指向環(huán)境熱阻(°C/W)TJ結(jié)溫(°C)TB焊點(diǎn)溫度(°C)MCPCB金屬芯印刷電路板CFD計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)介

LED的熱性能預(yù)測(cè)正在成為減少將產(chǎn)品推向市場(chǎng)所需時(shí)間的必要條件。然而，隨著熱通量和封裝密度的增加，LED封裝模塊的散熱成為一種挑戰(zhàn)。因此，模塊的熱分析和設(shè)計(jì)變得更加關(guān)鍵。 CFD模擬是早期設(shè)計(jì)階段電子產(chǎn)品熱分析的一種廣泛使用的方法。 CFD關(guān)注流體流動(dòng)，傳熱和其他相關(guān)過(guò)程(如輻射)的數(shù)值模擬。本文介紹了在MCPCB上創(chuàng)建高功率LED封裝的工作，該散熱器具有散熱器和帶有熱量的雙層FR4下沉。首先，創(chuàng)建LED基板上封裝的詳細(xì)模型。然后在LED封裝的底部形成散熱器。最后，將該模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

LED封裝，MCPCB，雙層FR4和散熱器使用Flotherm建模，這是Flomeric的CFD工具。

A.型號(hào)說(shuō)明

開發(fā)了兩種型號(hào)的散熱器：詳細(xì)型號(hào)和緊湊型號(hào)。目的是比較這兩個(gè)模型之間的誤差百分比。 LED封裝的詳細(xì)幾何參數(shù)和封裝材料的導(dǎo)熱性如表1所示。

LED封裝的正視圖和布局示意圖如圖1a和1b所示。在封裝和基板之間填充焊膏。當(dāng)封裝達(dá)到1.3 W的最大功率時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的自然和強(qiáng)制對(duì)流冷卻空氣不能將結(jié)溫保持在可接受的范圍內(nèi)。額外的散熱器有助于滿足要求。為了將散熱器安裝到LED上，粘合熱帶連接到散熱器的背面，散熱器放置在LED基板的底部。

圖1a：Avago Technologies的電源LED封裝(ASMT-MX00)的正視圖和側(cè)視圖。

圖1b：帶散熱器的基板上的LED封裝。編號(hào)組件材料導(dǎo)熱系數(shù)(W/mK)尺寸1引線框架Cu 364.25參考上面2反射器PA9T 0.2 8.5 mm x 8.5 mm x 3.3 mm 3芯片藍(lán)寶石23.1連接點(diǎn)距離底部約0.11mm 4密封劑有機(jī)硅0.2 - 5 PCB基板鋁雙層FR4 2000.3 37 mm x 26 mm x 1.6 mm厚度6金屬化Cu 38535μm厚度7介電層Alox 875μm厚度8焊膏SnPb37 50.925μm厚度9熱膠帶 - 2厚度0.125 mm 10散熱片鋁制200 110散熱片，底座23 mm x 23 mm x 1.5 mm散熱片高度8 mm，厚度0.8 mm，散熱片間距1 mm表1：帶散熱片和導(dǎo)熱系數(shù)的LED封裝結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)包裝材料。

B.網(wǎng)格和邊界條件

對(duì)于CFD分析，假設(shè)以下屬性：

三維

穩(wěn)態(tài)

氣流速度0.2 m/s

空氣性質(zhì)恒定

環(huán)境溫度為25°

計(jì)算域?yàn)?05 mm x 305 mm x 305 mm

熱量通過(guò)自然對(duì)流和傳導(dǎo)消散

輻射效應(yīng)被忽略，因?yàn)檩椛湫?yīng)約為2%至3%

基板上LED封裝的總柵格單元，具有詳細(xì)的散熱器模型和緊湊的散熱器模型，接近600，000和分別為150，000。對(duì)于網(wǎng)格單元設(shè)置，建議在散熱器的散熱片之間至少使用3個(gè)單元。 (這是Flotherm的默認(rèn)設(shè)置。)III。結(jié)果| A.樣品封裝配置

LED封裝安裝在MCPCB和雙層FR4上。它的尺寸為32毫米x 27毫米x 1.6毫米。散熱器是典型的帶有110個(gè)翅片的翅片式，由擠壓鋁制成的底座連接到MCPCB的背面，雙層FR4連接有熱膠帶。封裝的驅(qū)動(dòng)功率為1.2W;在封裝的散熱片上測(cè)量焊點(diǎn)(TP)的溫度。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可以計(jì)算從焊點(diǎn)到環(huán)境的熱阻RBA。

B.數(shù)值與實(shí)驗(yàn)

詳細(xì)模型散熱器和緊湊型散熱器的測(cè)量數(shù)據(jù)比較如表2所示。可視化模擬結(jié)果如圖2a和2b所示。隨著近似變得越來(lái)越粗糙，與實(shí)際數(shù)據(jù)的協(xié)議變得越來(lái)越差。但是，誤差百分比對(duì)于工業(yè)應(yīng)用是可接受的。模擬溫度高于測(cè)量溫度的事實(shí)表明數(shù)值模型不能解釋一些冷卻現(xiàn)象。被忽略的一個(gè)冷卻源是輻射。這種差異可能是由于測(cè)量精度測(cè)量的RBA

(°C/W)模擬RBA

(°C/W)百分比差異(%)MCPCB上的LED封裝，帶有詳細(xì)型號(hào)的散熱片25 23 MCPCB上的8個(gè)LED封裝，帶有緊湊型散熱器 - FR4上的27個(gè)8 LED封裝，帶有詳細(xì)模型散熱器37 35 8 FR4上的LED封裝，帶有緊湊型散熱器 - 32 13.5表2：模擬結(jié)果與測(cè)量結(jié)果。

圖2a：具有詳細(xì)散熱器模型的MCPCB上LED封裝的可視化結(jié)果。

圖2b：具有緊湊型散熱器模型的FR4上LED封裝的可視化結(jié)果。

散熱設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

如果LED封裝具有改善封裝熱性能的設(shè)計(jì)約束，那么以下方法可以幫助降低基板上的溫度和LED的結(jié)溫。

用鋁板或散熱器裝飾背面

使用單獨(dú)的PCB作為驅(qū)動(dòng)電路和LED

使用更高導(dǎo)熱材料作為介電層

使用風(fēng)扇去除熱空氣并增強(qiáng)對(duì)流冷卻

結(jié)論

本研究表明，CFD建模技術(shù)可用于模擬帶有散熱器的LED封裝基板。結(jié)果清楚地表明，詳細(xì)而緊湊的散熱器模型提供的結(jié)果與實(shí)際測(cè)量值非常接近;然而，詳細(xì)的散熱器模型可能更耗時(shí)。緊湊型散熱器模型適用于執(zhí)行快速分析。工業(yè)應(yīng)用可以接受誤差百分比，同時(shí)節(jié)省時(shí)間。 CFD是一個(gè)很好的工具，可以幫助設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用中的功率LED。