预测LED热性能正成为帮助缩短上市时间所不可或缺的一种能力。然而，随着热通量和封装密度日益增加，LED封装模块的散热正变得越来越具挑战性，热分析和LED模块设计也变得越来越重要。因此，在设计早期CFD仿真已成为一种广泛使用的电子产品热分析方法。CFD与流体流动的数值分析，热传导和其他相关过程如辐射一同受到关注。

本文介绍了生成带有散热器的高功率LED星型封装所需完成的工序。首先，生成详细的LED封装星型衬底模型，然后在LED星型封装底部生成散热器。最后，将模拟数据同实验数据相比较。另外我们所关注的方面是LED封装上散热介面材（TIM）产生的影响。目的是显示不同焊线厚度(BLT)下TIM的特点和陷入TIM内的空隙的百分比。

热建模技术

使用Flotherm——来自Flomerics公司的CFD工具，模拟LED封装即星型衬底(MCPCB)。建立详细模型，以比较与实际测量值的错误百分率。图1所示为LED封装配置。焊料填补在封装和衬底间。当封装达到最大功率1.3瓦时，标准自然和强迫对流空气冷却都无法将结温保持在可接受范围之内，即125℃及以下。 附加的散热器作用在于帮助达到温度要求。为了在LED上安装散热器，需将热粘合带连接到散热器背面，并将该散热器安放在LED衬底底部。

网格，边界条件

对于CFD分析，下列属性可假设为：三维，稳态，静态气流和空气属性是常数，环境温度为25度，计算域为305 x 305 x 305毫米，且通过自然对流，传导和辐射进行散热。

带有详细散热器模型的LED封装衬底的总网格单元大约为200000。对于网格单元的生成，建议散热器翅片间至少采用三个单元。

热阻计算

计算热阻值，需测量垂直通过芯片，芯片连接层，管芯焊盘，散热介面材，散热器和电介质层直到衬底的热流情况。每一层都具有自己的热特性（见表1）。通过使用下列方程，可计算得到从芯片（交界处）到四周的热阻值。

RJA代表热量如何从LED芯片向四周消退，这意味着较低的RJA值意味着更好的热性能。图2所示的是三维和二维截面封装结构。

数值模拟 vs 实际试验

LED封装安装在星型MCPCB上。散热器是典型的翅片式，共有110个翅片，其底座是由挤压铝制成，采用热粘合带将其连接到星型MCPCB背面。该封装以1.2瓦功率驱动，通过封装金属芯上的热电偶来测量焊接点温度(Tmetalslug)。只有在温度达到饱和后才能进行测量。

表1所示的是仿真模型的测量数据比较。当模拟温度高于测量温度时，它表明数值模型无法考虑到一些冷却现象。

TIM的影响

热量从LED封装扩散到电路板或散热器过程中TIM发挥了关键性作用。图2中，TIM1位于LED封装和衬底间。使用不同的热导率值和不同的焊线厚度进行仿真模拟。

如图3所示：衬底上带有散热器的Moonstone封装，随着焊线厚度的增加， TIM1热传导率对介面热阻的影响也不断增加，这表明，随着焊线厚度的增加，热阻增加对热传导率更为敏感。不过，不同热传导率值和不同焊线厚度的影响并不显著。

两不一致的固体表面间的空隙会减少热传导,而TIMs符合相邻固体表面的微观表面轮廓，并增加LED金属片（热源）与金属芯PCB/FR4 PCB（散热器）间的接触面积。因此，它能够减少接触面积的温降。

热设计考虑

除利用TIMs提高热性能以外，以下是其它热设计方面的改进：散热器的几何形状和表面构造，以及它的方向位置；系统采用封闭式空气流动路径设计，促进自然对流冷却；使用能动式制冷系统，如风扇和热管，消除热空气，增加自然对流冷却。

本文阐述如何将CFD建模技术用于模拟带有散热器的LED星型封装。结果表明，该仿真模型为实际测量提供了可喜的成果。CFD是一个很好的工具，它协助设计工程师将功率式LED用于实际应用，工业应用中其误差率也是可接受的。随着焊线厚度增加，与TIM热导率相比，热阻的增加对接触面积更为敏感，陷入TIM1内的空隙百分比（高达15%）也是可接受的，且它不会造成任何显著的热性能下降。