应用石墨烯材料的大功率LED散热仿真

为解决LED热量集中问题，设计高导热散热模型以及使用高导热材料格外重要。石墨烯材料因在平面的二维方向具有良好的热导率，将其与散热器表面相结合，能充分发挥其在热扩散方面的作用。石墨烯在平面方向高达5 300 W /(m·K)的热导率，可有效传导温度，消除热点，快速降低结温。主要研究石墨烯与铝散热器基底表面相结合的方式对LED灯具散热性能的仿真分析，采用ICEPAK散热分析软件和仿真技术，分析了不同厚度石墨烯的散热效果，获得了用于所设LED模型条件下的石墨烯最佳厚度条件，并与不使用石墨烯情况下作了对比研究。肯定了石墨烯对降低LED结温的影响。

关键词：LED结温；热仿真；散热器；石墨烯；ICEPAK

LED 灯是一种高效高节能、绿色环保的电子器件。LED灯具已被广泛应用于家庭照明、交通信号灯、电视屏幕、汽车车灯等。在照明市场占据着越来越重要的地位。但是，随着单颗灯珠功率增加以及封装密度增加，经过长时间的工作后，面临着LED结温热积聚的问题，结温升高将导致灯具工作不稳定，出光效率降低以及照明寿命减小等问题。研究发现，大约七成的LED灯具失效由于结温过高导致，当结温大于一定值时，灯具的失效率将呈指数规律上升，结温每上升 2 ℃，灯具的可靠性就下降 10%^[1]。因此，使用高导热材料将LED结温处的温度导出来显得尤为重要。

LED灯具的散热方式分为两大类：主动式散热和被动式散热。常见的主动式散热有：风冷散热，液冷散热，压缩机制冷散热，电子制冷散热。被动式散热主要的两种方式是肋片散热和热管散热。被动式散热是目前LED灯具采用最广泛的一种散热方式，LED 灯封装结构里包含有灯珠、散热垫、热沉、散热器以及导热硅胶垫。由于这些封装材料的导热系数低，热阻大，导致散热成为一大瓶颈。优异的高导热材料是解决电子器件和设备散热的关键。自从 2004 年英国曼切斯特大学采用剥离法制得石墨烯材料后，石墨烯材料的强大散热性能得到广泛重视，石墨烯开始应用于电子器件的散热。当石墨膜嵌入石墨烯时可使石墨散热膜材料具有高达近 2 200 W/(m·K)^[2]以上的导热系数。目前的很多手机的散热片都是用石墨材料制成[3]，像华为石墨烯基锂离子电池里面的“石墨烯”用于提升锂离子电池散热效果。石墨烯改善散热的主要是因为它在平面内极高的导热率从而将热源处的温度能快速导出和石墨表面增强红外线辐射散热效果。研究石墨烯优良的导热性能，将石墨烯与铝散热器基底进行结合进行热仿真分析，研究了石墨烯对于降低LED结温的效果。

常见的散热器有挤压的型材散热器、焊接散热器、叉翅散热器、针状散热器四类。其中挤压的型材散热器在LED 散热占据很大的市场。灯芯产生的热量借助于散热器以及空气自然对流扩散到空气中，具有结构简单、输入功率低、成本低以及寿命长等优点。不足点是铝散热器的导热率比较低，只有270 W/(m·K)。铜散热器的导热系数虽高，但由于密度大导致过重，石墨散热器和陶瓷散热器的散热效果很好，但由于价格昂贵一直没有得到推广。本文综合石墨材料的高导热率，将其与铝散热器的基底相结合。采用热分析软件 ANSYS ICEPAK 对其进行热仿真分析。

1.1石墨烯导热机理

图 1 为石墨晶体的结构，每个碳原子都是以 sp2 杂化轨道与旁边的其他三个碳原子形成化学共价单键，构成一个网状的六元环结构，单层石墨烯就是结构就是由这些六元环结构连接而。在单层石墨烯结构中每个碳原子会剩余一个未被 sp2 杂化的 p 轨道，其中有一个 p 电子没有配对，在单层石墨烯中，碳原子中的 m 电子组合成一个具有 m 中心 m 电子的大∏键，这些离域电子能够在碳原子平面层中自由活动，因此石墨烯在层向具有良好的导热导电性质性能，石墨单晶的平面导热系数可达 2 200 W/(m·K)。另外，石墨还具有良好的机械性能、密度小、热膨胀系数小等优点。因此，石墨烯的高导热潜能将极大改善电子器件散热问题^[4]，图2是单层石墨烯结构图。

图1 石墨晶格结构

图2 单层石墨烯结构

1.2 新型LED灯散热结构

图3为新型LED灯散热结构的示意图，从上往下依次为：LED 灯，散热垫、铜板、导热硅胶、石墨烯导热介质、铝散热器。灯源为单颗5 W大功率灯珠，有效发光效率为 20%，发热功率为 4 W，环境温度为 25 ℃，散热器采用铝挤压型材料，长宽均度为 6 cm，散热器基底厚度为 2 mm，散热翅片高度为 10 mm，厚度为 0.8 mm，共 24片肋片；石墨烯导热介质平铺并紧贴在散热器基底的上表面，在这里忽略了石墨烯和散热器之间的接触热阻，水平导热系数为 2 200 W/(m·K)，垂直导热系数为25 W/(m·K)^[6]。其中LED的基本传热路径为：LED灯芯—散热垫-铜板-石墨烯-散热器-空气。石墨烯具备优良的导热性能，可将LED结温快速均匀地传导到散热器表面，经过散热器与空气对流方式传递到空气中。

图3 新型单颗LED灯结构

为了满足大功率LED的光照要求，比如路灯、车灯、背光屏等都是采用多颗LED模型。因此，为了充分研究石墨烯对LED灯散热的效果以及灯之间的相互影响。在单颗LED灯结构的基础上，增加灯珠个数、增大PCB板、散热器尺寸以及散热片数目，LED灯均匀排成阵列式，由四颗相同的LED灯均匀分布在PCB板上，其他的条件设置与单颗灯珠模型一致。模型如图4所示。

图4 四颗阵列式LED灯结构

为了便于分析比较，设置多组石墨烯厚度值。比较不同厚度石墨烯对降低结温的效果，并由此得出最佳的石墨烯厚度。采用热分析软件ANSYS ICEPAK进行仿真分析。在 ICEPAK15.0 版本中建立 LED 散热仿真模型，主要由LED 灯、导热介质和散热器组成。考虑到 LED 内部热阻是一稳定值，因此，把模型中每个 LED 看成一个热源，忽略 LED 每部结构，将每个 LED 灯设置为温度监控点。采用自然对流模式，空气的自然对流系数取平均值7.5 W/(m·K)^[7]。室温设置为 25℃，石墨烯水平导热系数2 200 W/(m K)，垂直导热系数为20 W/(m·K)，硅胶导热垫水平导热系数和垂直导热系数均为4 W/(m·K)。

2.1 单颗灯珠的热学仿真

图5显示的是单颗LED灯珠在无石墨烯时的模型仿真结果，可以得出结温是103.321℃。图6是在石墨烯厚度为300 μm 的仿真结果图。通过设置不同石墨烯厚度进行仿真，结果如图8所示，其中横坐标为石墨烯厚度，纵坐标为温度。

图5 无石墨烯LED仿真结果

图6 石墨烯500 μm 时LED仿真结果

2.2 多颗灯珠的热学仿真

同理，可以得出阵列式LED的仿真结果图。图8显示的是4颗LED灯珠在无石墨烯时的模型仿真结果，可以得出结温是109.557 ℃。图9是在石墨烯厚度为300 μm 的仿真结果图。通过设置石墨烯不同厚度下的仿真，结果如图10所示，其中横坐标为石墨烯厚度，纵坐标为温度。

图7 不同石墨烯厚度的结温值

图8 无石墨烯LED仿真结果

图9 石墨烯300 μm 时LED仿真结果

图10 不同厚度石墨烯下的结温值

2.3 仿真结果分析

从仿真结果的数据可知，不管是单颗灯珠还是多颗灯珠模型，石墨烯对LED散热优化效果都比较理想，总体可以降低15 ℃~20 ℃左右，从图3可得出，当石墨烯的厚度200 μm ～300 μm 之间时，结温下降最多，可以达到18℃。其他的厚度可使温度下降15℃。这是因为石墨烯过薄时，对于小模型的 LED 灯发出的热量存储热量有限，LED产热速度大于散热速度，石墨烯来不及将热量传导至散热器；随着石墨烯厚度增加时，石墨烯的总体热容量随之增加，使温度有所下降；当石墨烯厚度继续增加，会导致热阻增加，阻碍热量的传递。从图10可知石墨烯厚度对降低结温的效果差异很小，因为此时石墨烯的面积足够大，可以足够存储LED灯传导出来的热量。 

当忽略了石墨烯与散热器之间粘接热阻的情况下，在使用石墨烯材料加强散热后，通过对单颗灯珠和多颗灯珠的仿真分析，可初步得出：石墨烯对降低LED结温效果明显，很有发展潜能。石墨烯散热的效果和石墨烯的厚度之间关联性较小。在考虑经济性的原则下，当制造石墨烯纳米材料工艺足够成熟时，只需在散热器基底镀上纳米厚度的石墨烯便可以改善散热效果。实验还对相同面积不同石墨烯形状进行了温度比对，发现形状的改变对散热效果的影响不大，圆形石墨烯比矩形石墨烯散热效果稍微好点。

本文从石墨烯材料的散热原理出发，将石墨烯与铝散热器基板上表面结合，通过热仿真分析方法对两种LED灯具模型进行热仿真分析。通过分析仿真结果可得出：在散热器基底上表面增加石墨烯材料后，由于石墨烯材料在平面二维方向上的的超高导热率，能大力改善铝散热器结构的散热效果，相比没有使用石墨烯的LED灯模型，使用石墨烯材料可使 LED 结温降低 15℃以上。在纳米厚度级别下，不同厚度石墨烯的散热效果相差不大，因此，在考虑经济的前提下，只需在散热器基底镀上一层很薄的石墨烯即可改善散热效果,这将为LED散热在石墨烯材料的实际应用中，要想充分发挥石墨烯的高热导率对LED结温的改善作用必须进一步研究石墨烯材料与金属材料的结合形式。