实验分析：不同散热器参数对片式COB光源结温的影响程度

　　 根据“烟囱效应”，提出了在散热器中合理设计流道来增强片式COB光源模组自然对流强度的方法。

　　采用正交试验法分析了片式光源散热器的六个形状尺寸对片式COB光源结温和成本（以散热器体积表征）的影响。

　　采用极差分析法得出了不同散热器参数对片式COB光源结温的影响程度大小为：翅片片数>翅片高度>翅片长度>翅片厚度>翅片间距>基底厚度，对成本（散热器体积）的影响程度大小为：翅片片数>翅片长度>翅片厚度>基底厚度>翅片高度>翅片间距。

　　综合考虑光源结温和成本，得到15 W片式光源模组散热器的最优尺寸。提出在散热器基底中央位置加导热筋的散热方案对前片式光源模组存在的热集中现象进行了改进。

　　现有COB光源是将多个LED芯片呈矩形阵列或圆形阵列封装在一个平面基板上，由于平面阵列中各个LED芯片产生的热量会相互耦合影响每个LED芯片的温度分布，使得中心区域的LED的热量难以散出，热量集中，结温升高。在COB光源工作过程中，就会形成中间区域的LED芯片结温高、四周LED芯片结温低的非均匀温度分布，使得COB光源中的LED芯片的光电参数不一、衰减情况各异，发光品质降低、使用寿命变短。

　　LED 片式COB光源是最近出现的一种新型COB光源，具有散热性能好，芯片结温分布一致，可沿用传统直插生产线批量化生产，应用设计简单等特点。

　　片式 COB 光源自散热性能

　　本文所研究的片式COB光源直接将大功率LED芯片固晶在铝支架上，LED所产生的热量直接通过固晶材料传导到铝支架上，由于铝支架本身有一定的散热面积，因而本片式COB光源自身就具备一定的散热能力。为了体现片式COB光源自身散热能力的大小，对片式光源进行热模拟。

　　如图1所示，为片式COB光源工作在1.5 W时的热模拟结果，图1（a）为片式COB光源的三维热模拟模型，该模型主要由拉铝支架和大功率LED芯片组成，由于固晶胶厚度很薄，为方便后续的网格划分以及整个模拟结果的准确性，采取将固晶胶层折合到LED芯片中。根据热阻理论，传导热阻为：

　　式中：λ为导热介质的导热系数，单位为W/(m·℃)；d 为沿热流方向的热传导距离，单位为m；A为垂直于热流方向的横截面积，单位为m2。LED芯片中产生热量的部位在PN结处，但PN结处的厚度相对于蓝宝石衬底的厚度非常小，可忽略，因而可以用蓝宝石的导热系数表征LED芯片的导热性能。蓝宝石的导热系数约为57 W/(m·℃)，固晶胶的导热系数约为1 W/(m·℃)，LED芯片厚度为0.1 mm，固晶胶厚度约为LED芯片厚度的1/10。按照热阻理论模型，LED芯片热阻和固晶胶热阻为串联关系，记LED芯片热阻为R 1，固晶胶热阻为R 2，简化之后的LED芯片的热阻为R ，则R 1+R 2=R，将式（1）代入可得：

　　式中： d2=d1/10，；λ1=57 W/(m·℃)；λ2=1 W/(m·℃)，得λ=9.3 W/(m·℃)。铝支架的材料为Al6061合金，导热系数约为150 W/(m·℃)。图1（b）为片式COB光源的网格划分结果，网格类型为SOLID87，图1（c）为整个片式COB光源的温度场，仿真模拟的边界条件相关参数为：环境温度25 ℃，片式光源与外界空气发生自然对流，热功率按总电功率的80%计算，图1（d）为固晶平面的温度分布。

　　从图1（d）所示的固晶平面温度分布可见，虽然每个LED芯片的发热功率相同，但其温度分布有着明显的差异，中间区域的芯片温度高，两侧芯片温度低，芯片与芯片之间有着明显的热耦合作用，这是COB光源普遍存在的问题。对于大功率LED片式COB光源来说，由于多颗芯片固定在一个片式拉铝支架上，为线光源形态，只有一个方向的热量耦合影响。相对于传统COB光源的面阵列情况，热集中现象已经得到了很好改善。

　　图2为LED芯片线性阵列方向中心线上的温度分布曲线，曲线中每一个波峰代表一个LED芯片中心的温度，从中心到两侧温度逐渐降低，中心区域的相邻芯片的温差较小，热集中现象较严重，散热效果差，两侧区域的相邻芯片的温差较大，热集中现象稍弱。在后续的散热器设计过程中应该充分考虑片式COB光源的这种温度分布情况，改善中心区域LED芯片散热不良的情况。

　　散热器设计与优化

　　由上述模拟可知，虽然片式COB光源自身具备一定的散热能力，但是散热能力有限，若用在大功率应用中，仍需要额外的散热器辅助散热，由前述的常用散热方案中，翅片式被动散热方案最经济实惠，最适宜于本文所述的大功率片式COB光源的应用。基于大功率片式COB光源本身的结构形式，本文提出一种夹持式散热器结构，并对其进行优化设计。

　　传统COB光源一般是平放在拉铝散热器的底部基底上，如图3（a），而片式COB光源利用两半现有的拉铝散热器进行夹持固定，可获得较好的散热效果，如图3（b）。由图中结构可以看出，传统的COB光源散热系统中，热量由LED芯片传导到内部热沉，再传导到铝基板，最后传导到散热器上，而片式COB光源散热方案中，热量由LED芯片直接通过拉铝支架传导到散热器。

　　相比较而言，片式光源散热方案散热路径短，散热效果好，且传统的散热结构中，光源的面积远小于基板的尺寸，热量在传导过程中，不仅会有竖直方向的传导热阻，还会由于水平方向的温度不均匀发生横向传导，产生横向热阻（也称为扩散热阻）。因此，片式COB光源夹持散热结构的扩散热阻要比传统COB散热结构的热阻大为减小。

　　2.1 散热器尺寸的正交试验优化

　　翅片式散热器散热效果的好坏跟散热器的形状尺寸息息相关，设计合理散热器形状尺寸将使得散热器的散热效果满足要求的前提下成本最低。对于常规的拉铝等截面翅片式散热器，如图4所示，包括以下尺寸参数：翅片厚度t，翅片间距p，翅片长度L（图中截面拉伸的长度），翅片高度H，翅片片数n（图中翅片数为11），基底厚度b。

　　片式COB光源的结温除了与散热器的形状尺寸有关外，还与片式光源的功率，以及周围空气对流情况有关。此处为优化合理的散热器形状尺寸，故固定片式COB光源功率以及周围环境因素。如上所述，当固定片式COB光源功率和周围环境因素后，影响片式COB光源结温有上述6个散热器的形状尺寸因素，每个因素又会有多个不同取值（水平）。根据“正交表”来合理安排试验，可在短时间内得到理想的试验结果。

　　根据上述分析，本次试验主要考察的指标是片式COB光源的结温，由片式光源的温度分布特征可知，不同LED芯片的结温会略有不同，此处以片式COB光源中结温最高的芯片的结温作为整个片式COB光源的结温。本次试验需考虑翅片散热器的6个形状尺寸因素，每个因素取5个水平，根据设计经验每个因素具体的水平设计见表1。

　　根据表1所列出的因素水平表，利用专业统计软件SPSS设计出了如表2所示的正交试验表，将原本的15625组试验科学地精简为现在的25组。

　　从表2所示正交表可以看出，正交表任一列中，各水平都出现，且出现的次数相等，使得部分试验中包含了所有因素的所有水平，任两列之间各种不同水平的所有可能组合都出现，且出现次数相等，使任意两因素间的试验组合为全面试验，因此正交试验的试验点必然均衡地分布在全面试验点中，具有很强的代表性，部分试验寻找的最优条件与全面试验所找的最优条件具有一致的趋势。

　　根据正交表的这些特性所安排的试验具有均衡分散和整齐可比的特点，所谓均衡分散，是指用正交表挑选出来的各因素水平组合在全部水平组合中的分布是均匀的，而整齐可比是指每一个因素的各水平间具有可比性，因为正交表中每一因素的任一水平下都均衡地包含着另外因素的各个水平，当比较某因素不同水平时，其他因素的效应都彼此抵消。

　　按照表2的正交试验表便可以进行正交试验了，本次试验过程中，COB光源的工作功率定位10 W，周围环境温度为25℃，整个光源模组如图3（b）所示，光源模组工作过程中进行自然对流散热。正交试验数据见表3。

　　为分析上述六个因素对片式COB光源结温的影响关系，对上述正交试验结果进行极差分析，首先计算出各因素各水平情况下光源的结温均值θim，θim的含义为表3中第i列因素m水平所对应的COB光源结温均值，根据正交试验的特性，每一因素每个水平出现的次数相同，因而在该实验中，每一列因素每一水平会出现5次，因此在计算θim时只需将第i列m水平下的结温之和除以5即可，计算结果列于表4。根据表4中数据拟合画出了光源结温趋势图，如图5所示，由趋势图中各直线斜率可知，各因素对光源结温的影响程度依次为：翅片片数>翅片高度>翅片长度>翅片厚度>翅片间距>基底厚度。

　　同理可算出各因素水平下的体积均值表，见表5，根据表5数据可拟合出散热器体积趋势图，如图6所示，由散热器体积趋势图各直线斜率可知各因素对散热器体积影响程度为：翅片片数>翅片长度>翅片厚度>基底厚度>翅片高度>翅片间距。

　　由图6可知，对于散热器的6个尺寸参数，随着尺寸的增大，光源结温均会有降低的趋势，散热器体积均会有增大的趋势，但是不同尺寸参数对光源结温和散热器体积的影响程度不同，知道了这些因素对光源结温和散热器体积的作用关系，在设计散热器过程中便可针对性地对散热器相关尺寸进行修改优化出所需的散热器方案，对于一个理想的散热器，用户希望光源的结温尽量低，而散热器的体积（当材料固定时，对应到成本）尽量小，根据上述分析可知这两种需求是相互矛盾的，因而需进行折衷。

　　本文采用加权综合评分法进行组合优化，由试验结果数据可知，在本文试验的范围内光源结温大部分不是太高，因而在此试验范围内寻求最优组合时，可对结温要求略微放低，给予稍小的加权系数0.4，而散热器体积给予稍大的加权系数0.6（该加权系数可以根据不同的试验条件和需求进行综合考虑定义不同权重），以S记总的加权指标，由于光源加温和散热器体积的单位和幅值不同，因而在加权之前需要进行归一化处理，将所有数据除以试验过程中的最大值，使得所有的结果数据均在0到1之间，再进行加权平均，并按照表4和表5的计算方法计算出各因素水平下的总体指标均值表，结果见表6。

　　根据表6可画出总指标的趋势图，如图7所示。从图7可看出，随着各因素水平值的增大，总指标呈现先减小后增大的趋势，取各因素的总指标趋势图中的谷点即为最优的参数组合，因而可得到最优的散热器尺寸参数为：翅片厚度t =0.8 mm，翅片间距p =4 mm，翅片长度L =40mm，翅片高度H =40mm，翅片片数n =12片，基底厚度b =3 mm。

　　根据所得的最优尺寸，便可得到最优的散热器模型，图8为最优的散热器热模拟结果，图8（a）为整个模组温度分布，图8（b）为固晶平面温度分布，光源结温为83.05℃，散热器外缘温度为50.54℃，单个散热器体积为21.79 cm3。

　　2.2 热集中现象的改善

　　从上述散热器和片式光源组成的大功率LED模组的温度分布特点可知，中间芯片的散热条件不如两侧芯片，为改善这种情况，可以对上述散热器进行进一步优化，在散热器基底靠近片式光源中心区域增加导热筋，使得中心区域的芯片集中的热量能够传导出去和空气发生流，改善整个模组的散热情况。根据此思路设计了如图9所示的散热器，从模拟结果可以看出，在不增加散热器体积的前提下，通过合理地设置导热筋，使得整个模组的结温有所下降，而且固晶平面的温度分布也更加均匀，即对热量集中有所改善，达到了设计初衷。

　　2.3“烟囱效应”的应用

　　上述设计优化过程主要是对散热器导热和对流换热面积，而在实际情况中，合理设计散热器形状还可起到强化对流的效果，针对本文所述的片式光源的这种夹持式散热器结构，可以利用“烟囱效应”设置合理的空气流道，增强散热器的对流，提高其散热性能。所谓“烟囱效应”是指利用空气浮力差对空气形成一种抽运，进而强化自然对流的现象。由于本文设计的散热器是上下通透的，若在散热器的四周加上外围框，相邻散热器翅片与外围框之间便能形成一个一个的小通道，类似于一个一个的小烟囱，由于烟囱效应的作用，会加速空气对流，增强散热器与外界空气的对流换热作用。

　　如图10所示，（a）为图9中片式COB光源模组不加外框的空气流动迹线，（b）为加外框的空气流动迹线，可发现带外框的空气流动速度要比不带外框的空气流动速度大，同样条件其模拟的温度为79.56 ℃，比不带外框的80.81 ℃要小，为排除外框对模组散热性能的增加，在模拟过程中将外框的导热系数设置的很低，可视为绝热状态，由此可见，所设计的模组很好地利用“烟囱效应”，使得片式COB光源模组的散热性能得到增强。

　　结 论

　　本文对新型自散热片式COB光源的散热性能进行分析，采用正交试验法进行试验设计，采用极差分析法得出了不同散热器参数对片式COB光源结温的影响程度大小为：翅片片数>翅片高度>翅片长度>翅片厚度>翅片间距>基底厚度；对成本（散热器体积）的影响程度大小为：翅片片数>翅片长度>翅片厚度>基底厚度>翅片高度>翅片间距。

　　综合考虑光源结温和成本，得到15 W片式光源模组散热器的最优尺寸为：翅片厚度t =0.8 mm，翅片间距p =4 mm，翅片长度L =40 mm，翅片高度H =40 mm，翅片片数n =12片，基底厚度b =3 mm。

　　针对COB光源普遍存在的热集中现象提出在散热器基底中央位置加导热筋的散热方案对前片式光源模组的散热性能进行了改进。根据“烟囱效应”，提出了在散热器中合理设计流道来增强片式COB光源模组自然对流强度的方法。