高功率LED封裝的熱建模技術(shù)

發(fā)光二極管（LED）組件的計算流體動力學（CFD）建模變得越來越重要，因為它現(xiàn)在被應(yīng)用于設(shè)計過程。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)果與散熱器與實驗數(shù)據(jù)進行了比較。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)級別。

命名法

RJA結(jié)至環(huán)境熱阻（°C/W）RJB結(jié)點至焊點熱阻（°C/W） ）RBA焊點指向環(huán)境熱阻（°C/W）TJ結(jié)溫（°C）TB焊點溫度（°C）MCPCB金屬芯印刷電路板CFD計算流體動力學

簡介

LED的熱性能預(yù)測正在成為減少將產(chǎn)品推向市場所需時間的必要條件。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)計變得更加關(guān)鍵。 CFD模擬是早期設(shè)計階段電子產(chǎn)品熱分析的一種廣泛使用的方法。 CFD關(guān)注流體流動，傳熱和其他相關(guān)過程（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)與實驗數(shù)據(jù)進行比較。

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

A.型號說明

開發(fā)了兩種型號的散熱器：詳細型號和緊湊型號。目的是比較這兩個模型之間的誤差百分比。 LED封裝的詳細幾何參數(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。當封裝達到1.3 W的最大功率時，標準的自然和強制對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芯片藍寶石23.1連接點距離底部約0.11mm 4密封劑有機硅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)細節(jié)包裝材料。

B.網(wǎng)格和邊界條件

對于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°

計算域為305 mm x 305 mm x 305 mm

熱量通過自然對流和傳導(dǎo)消散

輻射效應(yīng)被忽略，因為輻射效應(yīng)約為2％至3％

基板上LED封裝的總柵格單元，具有詳細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個單元。 （這是Flotherm的默認設(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)動功率為1.2W;在封裝的散熱片上測量焊點（TP）的溫度。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可以計算從焊點到環(huán)境的熱阻RBA。

B.數(shù)值與實驗

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

測量的RBA

（°C/W）模擬RBA

（°C/W）百分比差異（％）MCPCB上的LED封裝，帶有詳細型號的散熱片25 23 MCPCB上的8個LED封裝，帶有緊湊型散熱器 - FR4上的27個8 LED封裝，帶有詳細模型散熱器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)果與測量結(jié)果。

圖2a：具有詳細散熱器模型的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)計注意事項

如果LED封裝具有改善封裝熱性能的設(shè)計約束，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

使用單獨的PCB作為驅(qū)動電路和LED

使用更高導(dǎo)熱材料作為介電層

使用風扇去除熱空氣并增強對流冷卻

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，詳細而緊湊的散熱器模型提供的結(jié)果與實際測量值非常接近;然而，詳細的散熱器模型可能更耗時。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，同時節(jié)省時間。 CFD是一個很好的工具，可以幫助設(shè)計實際應(yīng)用中的功率LED。