CN110207078A - 一种改善led散热效率的方法及具有良好散热性能的led - Google Patents

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邱晨
陈毓婷
李宇飞
陈景锋
张兴杰
张恩来
杨志荣
焦健
王亦春
熊超
许大光
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Abstract

本发明涉及一种改善LED散热效率的方法及具有良好散热性能的LED，在该方法中，包括：在LED的基板上构建叶脉流道，所述叶脉流道包括一个主管道和分别设置于主管道两侧的多个支管道。本发明通过研究叶片的微道结构，将叶片的微道结构用于LED灯具的散热中，提升灯具的散热性能。

Description

一种改善LED散热效率的方法及具有良好散热性能的LED
技术领域
本发明涉及电子元件散热技术领域，尤其涉及一种改善LED散热效率的方法及具有良好散热性能的LED。
背景技术
LED集成光源具有体积小，成本相对较低且安装简单等优点。但是目前行业中50W以上集成封装的LED光源应用于大功率照明灯具的光衰问题一直未能得到有效解决，主要原因是首先，数量众多的芯片封装于面积较小(一般不超过30平方厘米)的芯片支架上，瞬间集聚的热量无法及时导出，长时间工作导致光源的荧光粉和银胶出现老化从而影响光的取出效率。其次，考虑到成本和散热效果的稳定性，行业中大功率集成光源灯具一般采用被动散热的方式，使用铝合金作为主要散热材料，体积大，质量重而导热效果一般，无法有效解决大功率集成光源的散热问题。散热效率问题已经成为制约集成光源进一步应用与发展的主要瓶颈。
发明内容
针对上述问题，本发明旨在提供一种改善LED散热效率的方法及具有良好散热性能的LED，以提高LED的散热性能。
具体方案如下：
一种改善LED散热效率的方法，包括：在LED的基板上构建叶脉流道，所述叶脉流道包括一个主管道和分别设置于主管道两侧的多个支管道。
进一步的，所述叶脉流道的支管道与主管道的管径比为0.3。
进一步的，所述叶脉流道的支管道与主管道之间的夹角为65°。
进一步的，所述叶脉流道的流道深度的取值范围为0.95～1.1。
进一步的，所述叶脉流道的主管道设置于基板的对角线上。
进一步的，所述叶脉流道的支管道相对于主管道对称设置。
一种具有良好散热性能的LED，其基板采用本发明实施例上述的方法制成。
本发明采用如上技术方案，通过研究叶片的微道结构，将叶片的微道结构用于LED灯具的散热中，提升LED灯具的散热性能。
附图说明
图1所示为本发明实施例一中的LED封装结构示意图。
图2所示为该实施例中的叶脉流道示意图。
图3所示为该实施例中的六种叶片对应的叶脉图。
图4所示为该实施例中的叶脉管径比分布图。
图5所示为该实施例中的分叉夹角角度分布图。
图6所示为该实施例中的叶脉流道模型。
图7所示为该实施例中的不同管径比大小与入口流速的流道模块温度云图。
图8所示为该实施例中的不同管径比与最高温度的关系示意图。
图9所示为该实施例中的不同分形角度的流道模块温度云图。
图10所示为该实施例中的不同分支角度与最高温度的关系示意图。
图11所示为该实施例中的不同深度的流道模块温度云图。
图12所示为该实施例中的不同流道深度与最高温度的关系示意图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
实施例一：
LED发光主要依赖于LED芯片，依靠芯片可以使电能转变为光能但同时伴随光能产生的还有热能。随着LED的芯片集成度进一步发展，大动率LED对散热要求的急切性彰显，封装芯片部分的材料开始除了电绝缘互联与支撑功能外兼顾起散热。而封装基板作为芯片连接外部的通道就成为了LED封装散热重要的一部分，不仅有良好的绝缘性，还具有良好的耐热性与导热性，因此，该实施例中提出了一种改善LED散热效率的方法，具体为：在LED的基板上构建叶脉流道，所述叶脉流道包括一个主管道和分别设置于主管道两侧的多个支管道。
当前市面上的基板有金属、低温工烧陶瓷、厚膜陶瓷、直接键合铜陶瓷以及直接镀铜陶瓷等基板，主要用到的材料为树脂、陶瓷、硅、金属与复合材料等，当前大功率LED基板的首选为以陶瓷为主的高效导热材料，LED的封装基本图如图1所示。
下面对叶脉流道的具体参数进行确定：
(1)采集叶脉图像
该实施例中采集了六种叶片的图像，分别为桂花叶、芒果叶、某树叶、三角梅叶、桃树叶和木棉树叶，其图像和对应的叶脉图如图3所示。
通过对采集的叶脉图像进行分析，可以得出叶片的分叉从主叶脉开始后有一级分支、二级分支，其中还有各细小纹路通道。由于主叶脉和一级分支的流通量最大，因此该实施例中根据叶片的分形特点设置的叶脉流道由类似于主叶脉和一级分支的主管道和分别设置于主管道两侧的多个支管道组成，如图2所示。
进一步的，由于在实际散热中需考虑到冷却液的分流与汇合的情况，因此该实施例中设置叶脉流道的结构为对称结构。
对采集的叶脉图像进行分析，采用多点测量后取平均值的方法对其进行处理后，得到的叶脉管径比分布图及分叉夹角角度分布图分别如图4和5所示。通过结果可以得出：
1)叶片的主管道与其第一级分支的管径主要集中于0.35～0.5之间，比值为0.46±0.18；
2)叶片的叶脉夹角范围在主要集中于61～78°之间，基本范围为67°±19°。
(2)为进一步优化叶脉流道的相关参数，该实施例中通过实验模型进行验证。流道的模型通过Unigraphics NX进行建立，此软件是Simens PLM Software公司出品主用于产品设计与制图并且可为加工过程提供部分仿真分析。用于流道仿真的软件为FloEFD forNX，此软件是Mentor Graphics推出的计算流体力学插件，可内嵌于UG中，对模型内部的流体及传热进行分析，使用直观且灵活。在建立模型前，考虑到环境的诸多复杂因素，因而对模型进行简化假设，降低分析的复杂性：
1)冷却液的物理参数不因温度的改变产生变动；
2)无浮力影响；
3)无热辐射影响。
模型中采用底座规格为21㎜×21㎜×1.5㎜的铝基体6061材料，导热系数204W/m℃。采用水作为冷却液，热分析参数如表1所示，进入微流道前冷却液温度为20℃，入口流速1000㎜/s。环境温度20℃，芯片发热功率为30W。使用FloEFD需全封闭空间，因而在建模完成后进入软件仿真时加装封盖。
表1
参数 单位 符号
密度 1×10<sup>3</sup> Kg/m3 ρ
热传导系数 0.5 W/m·℃ λ
动力粘度系数 1.01×10<sup>-3</sup> pa·s μ
(3)叶脉流道的管径比的确定
为确定叶脉流道的支管道管径比对散热结果的影响，以支管道与主管道的夹角比为75°，统一矩形流道管深1㎜，改变支管道与主管道的比值大小为变量建立模型。以边界条件中所提及的条件建立模型如图6所示。通过树叶拓扑结构的收集分析，管径比多分布在0.3～0.7之间，因而管径比取值分别为0.3、0.4、0.5、0.6、0.7，并改变微流道入口流速，取值0.5m/s、1m/s、1.5m/s。
通过对不同管径比仿真之后得到的温度图进行处理，仿真的结果如图7所示。水流进口方向为左下角，沿45°向右上角方向流出，从图7的温度云图可以看出温度较高处集中于远离主流道的两侧拐角处。通过统计不同管径比情况下模块的最高温度值(其结果如图8所示)，可以得出随着主管道与支管道的管径比增加整个模块的最高温度值也随之增加。当主管道与支管道的管径比为0.3时，模块的整体最高温度最低，因此该实施例中设置管径比为0.3。
(4)叶脉流道的支管道与主管道的角度的确定
为确定叶脉流道的支管道与主管道的角度对散热效果的影响，以管径比为0.3，统一矩形流道管深1㎜，通过树叶拓扑结构的收集分析，分形夹角度数多分散在50°～80°，因而取值分别为50°、55°、60°、65°、70°、75°、80°，其余条件不变进行仿真，结果如图9所示。
同样对各角度对应的流道模型最高温度进行统计，分布图如图10所示，可以看出支管道与主管道的夹角在60°～65°时最高温度趋于下降，65°～80°时，最高温度呈上升趋势，因而取支管道与主管道的夹角为65°进行流道分形角度的设计较为合适，该实施例中设定支管道与主管道之间的夹角为65°。
(3)流道深度的确定
以支管道与主管道的夹角为65°，管径比为0.3，其他边界条件不变，对流道深度值分别取0.5㎜、0.65㎜、0.8㎜、0.95㎜、1.1㎜，仿真结果如图11所示。
对各流道深度所对应模块的温度最高点进行统计，其关系图如图12所示，可以得出流道深度在0.5～0.95时最高温度下降趋势明显，在深度为1.1时，下降趋势减缓，因而流道深度在0.95～1.1间取值比较理想，因此该实施例中设定流道深度的取值范围为0.95～1.1。
该实施例中通过收集不同的叶片并对其叶片脉络进行管道分形与角度的统计，通过仿生叶片的运输系统构造相似模型。利用UG for NX进行建立单一变量的流道模型，后利用内嵌于UG的流体分析软件FLOEFD在模型内部的流体在一定边界条件的情况下对流道的主分管径比、分形角度与深度进行仿真模拟，分析出较为优秀的仿生简化结构，改善大功率LED的芯片散热效率。
实施例二：
本发明还提供一种具有良好散热性能的LED，其基板采用本发明实施例一所述方法制成。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种改善LED散热效率的方法，其特征在于：包括：在LED的基板上构建叶脉流道，所述叶脉流道包括一个主管道和分别设置于主管道两侧的多个支管道。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述叶脉流道的支管道与主管道的管径比为0.3。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述叶脉流道的支管道与主管道之间的夹角为65°。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述叶脉流道的流道深度的取值范围为0.95～1.1。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述叶脉流道的主管道设置于基板的对角线上。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述叶脉流道的支管道相对于主管道对称设置。
7.一种具有良好散热性能的LED，其特征在于：其基板采用权利要求1～6中任一所述的方法制成。
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