基于COMSOL仿真技术对LED灯珠的热场分析

2019年第5期

220研究与探讨

信息技术与信息化

基于COMSOL 仿真技术对LED 灯珠的热场分析

褚 静* 马 桢 冯励耘 CHU Jing MA Zhen FENG Li-yun

摘　要 散热问题是限制LED 产业发展的重要技术瓶颈，因此对LED 的热场分析十分重要。本文采用COMSOL 多

元物理有限元方法对LED 灯珠进行了热能分布的分析，直观地再现了LED 灯珠工作时的热能分布，为LED 的设计，尤其是散热设计提供了依据。

关键词 LED；CAD；COMSOL；热场分析

doi：10.3969/j.issn.1672-9528.2019.05.063

* 常州工学院光电工程学院 江苏常州 213002

LED 是一种能将光能直接转化为电能的半导体器，在工业及科研中都引起了广泛的关注，被认为是第四代绿色照明，同时也是白炽灯最新的替代品。然而，成本和散热是限制LED 产业发展的两个技术瓶颈。其中，散热问题可视为一个致命的缺陷。LED 在工作过程中产生的热量将不可避免地导致其光、电、色等性能的变化，这些变化会对LED 的性能产生严重的影响，甚至会导致LED 的损坏。因此对于LED 的热场分析十分重要且必须。本文采用COMSOL 多元物理有限元方法对LED 灯珠进行了热能分布的分析，直观地再现了LED 灯珠工作时的热能分布，为

LED 的设计，尤其是散热设计提供了依据。

本文分析了一种最常见的LED 灯珠的热场(温度场)。主要做了以下几个方面:(1)首次计算了一类LED 灯具工作时的热阻；（2）采用COMSOL 多物理有限元法建立有限元模型LED 灯珠仿真模型；（3）得到温度分布并给出结论。

图1 草帽型LED 实物

1 系统热阻分析

该模型基于最常见的草帽型LED 灯珠结构，如图1所示。其核心材料——电致发光半导体（此处选用半导体材料GaN）芯片位于模型的中心，将热量散发到周围环境。该芯

片还通过互连线与外部电路相连，即外部电路的产热也会对LED 这可能导致芯片过热。热通过环氧树脂密封包装传导到周围环境。密封材料还起着保护内部芯线的作用。

根据传热原理集成推导出的薄板结构导热电阻计算公式如下[1]:

A

R h λδ=

t (1)在建模过程中所用的热传导方程：

Q T k =????)( (2)

其中Q 为热源，此处选择GaN 芯片为热源。

热通过强迫对流从所有暴露在空气中的表面消散，此处采用传热系数h 建模:

)(inf T T h q n ?=?? (3)

2 有限元模型的建立

图2 COMSOL 模型建立一般过程