摘要：本文根据高亮度LED用印制电路板导热性能的测试方法，运用有限元热分析技术，建立了高亮度LED用印制电路板的有限元稳态热分析模型。对电路板厚度方向的导热性能进行了分析，探讨不同材料的导热胶，不同厚度的导热胶，不同厚度的导热硅脂以及不同的冷却块对电路板导热性能的影响，为制定高亮度LED用印制电路板导热性能测试标准以及提高测试精度提供理论依据。
关键词：有限元 热分析 LED用印制电路板 导热性能
1 引言
PCB作为连接电器元件的载体与电路信号传输的枢纽[1]，已经成为电子行业产品中最为关键的元件之一。随着LED技术的快速发展[2]，特别是大功率高亮度LED的发展，PCB上的功率密度越来越高，散热问题日益突出。PCB在应用过程中出现了大量的失效问题，根据故障率统计，高温是大功率LED最严重的危害，它会直接导致元器件的失效，进而引起整个线路板的失效。因此，在测量，设计和制造PCB时，必须进行热可靠性方面的分析和计算。
有限元xxxx在传热学分析方面具有强大的功能[3]，非常适合分析各种热可靠性问题。有限元法就是将一个复杂的连续体求解问题，采用先分后合的方法，将它的求解区域划分为有限个形状相对简单的单元所组成的集合体（或称离散化），每个单元之间通过其节点相互联系。使得原先是无限自由度的连续问题，变成了有限个自由度的问题。随着计算机技术的飞速发展， 有限元作为一种工程分析工具，在工程技术领域得到了迅速推广和广泛的应用，受到越来越多企业的青睐。
运用有限元热分析技术，对电路板的导热性能进行了分析，探讨在测试过程中各种不同情况下，电路板导热性能的状况，为制定高亮度LED用印制电路板导热性能测试标准以及提高测试精度提供理论依据。
2 基板热分析模型的建立
根据高亮度LED用印制电路板导热性能的测试方法，建立了基板导热性能有限元分析模型。试样中央带有5 mm×5 mm的TEG芯片（标准热源），兼作热源和测温。TEG芯片与试样间涂覆导热胶，如图1所示。
TEG发热源由三层材料组成。上下两层为发热丝，中间基材为96%三氧化二铝。基板同样由三层材料组成。最上层为铜，中间层为绝缘层，下层为铝。基板与冷却块之间涂覆导热硅脂。各层材料的厚度与导热系数如表1所示。
表1 各层材料的厚度与导热系数
| | 导热系数(W/mK) | 厚度 |
TEG | 发热丝 | 50 | 30um |
96%Al2O3 | 30 | 0.3mm |
发热丝 | 50 | 30um |
导热胶 | 导热胶 | 2~25 | 30um |
基板 | 铜 | 377 | 50um |
绝缘层 | 1.5 | 125um |
铝 | 230 | 1.5mm |
导热硅脂 | 导热硅脂 | 5.1 | 30um |
冷却块 | 铝 | 230 | 5mm |
TEG芯片的发热量W，与垂直方向的热阻Rt大小对应。当TEG芯片的温度达到稳定状态后，并确定金属台座上温度与冷却水的温度相差1℃以内时，测得的TEG芯片的温度Ts和金属台座的温度Tb。垂直方向的热阻Rt按下式计算：
Rt = (Ts-Tb) / W
用Rt计算出垂直方向的热传导参数ke，计算式如下：
ke = t / (Rt × 2.5 × 10 -5 )
式中：t为试样厚度，单位为m。
2.5×10 -5 m2 表示TEG芯片的测温实际面积。
3 基板导热性能分析
本文通过用不同材料的导热胶，不同厚度的导热胶，不同厚度的硅脂和不同材料的冷却块分别对基板进行热分析，探讨了不同条件对基板导热性能的影响，总结了不同条件下基板导热性能的规律。
3.1 不同材料的导热胶对基板导热性能的影响
导热胶Ct285的导热系数为25 W/mK，导热胶Sp9410的导热系数为2 W/mK。分别用这两种导热胶作对比，分析基板的导热性能。
图2是基板的载荷与边界条件施加的情况。TEG所施加的功率为12W，冷却块的下表面为水冷，对流系数为1E-3W/mm2K，剩余表面为空气自然对流，对流系数为5E-6 W/mm2K。
对于导热胶Ct285，当TEG施加的功率为12W时，TEG表面的温度为73.62℃，冷却块的温度为23.14℃。根据计算公式，基板厚度方向的热阻为4.21℃/W，其导热系数为15.93 W/mK。如图3所示。
图5 Ct285的厚度为10um时基板温度分布 图6 Ct285的厚度为50um时基板温度分布
对于Sp9410导热胶，由于其导热系数较低，当Sp9410的厚度从10um增加到50um时，TEG温度会大幅度升高，从75.43℃上升到84.89℃。如图7和图8所示。基板的导热系数也相应大幅减小，从15.37 W/mK减小到13.02 W/mK。因此Sp9410厚度的大小对基板导热系数的影响很大。Sp9410的厚度越大，基板导热系数的计算值与理论值之间的误差就越大。图9是Ct285和Sp9410不同厚度时基板导热系数的变化情况。
3.3不同厚度的导热硅脂对基板导热性能的影响
将导热硅脂的厚度分别设为10um，30um和50um，分析基板的导热性能。导热硅脂的导热系数为5.1 W/mK，当TEG施加的功率为12W，导热硅脂的厚度从10um增加到50um时，TEG温度也会随之升高，但升高幅度不大，从73.30℃上升到73.89℃。如图10和图11所示。基板的导热系数相应减小，从16.03 W/mK减小到15.84 W/mK。总体来说基板的导热系数变化不大，不受导热硅脂厚度的影响。
3.4 不同材料的冷却块对基板导热性能的影响
分别用纯铜，纯铝和铝合金作为冷却块，对基板进行热分析。纯铜的导热系数为377W/mK，纯铝的导热系数为230W/mK，铝合金的导热系数为130W/mK。TEG施加的功率为12W。
由分析结果得，对于用纯铜来冷却的基板，TEG表面温度为72.72℃，基板垂直方向的导热系数为16.22 W/mK；对于用纯铝来冷却的基板，TEG表面温度为73.62℃，基板垂直方向的导热系数为15.93 W/mK；对于用铝合金来冷却的基板，TEG表面温度为74.95℃，基板垂直方向的导热系数为15.52 W/mK。如图12和图13所示。表3是不同材料的冷却块对基板导热性能的影响。
表3 不同材料的冷却块对基板导热性能的影响
| 铜 | 铝 | 铝合金 |
冷却块导热系数 | 377W/mK | 230W/mK | 130W/mK |
TEG功率 | 12W | 12W | 12W |
TEG表面温度Ts | 72.72℃ | 73.62℃ | 74.95℃ |
冷却块温度Tb | 23.16℃ | 23.14℃ | 23.13℃ |
基板导热系数计算值 | 16.22 W/mK | 15.93 W/mK | 15.52 W/mK |
基板三层材料导热系数理论值 | 18.61 W/mK | 18.61 W/mK | 18.61 W/mK |
计算值与理论值之间的误差 | 12.8% | 14.4% | 16.6% |
由此可得，用不同导热系数的冷却块来冷却，对基板的导热系数有一定的影响。冷却块的导热系数越高，基板导热系数的计算值与理论值之间的误差就越小，冷却块的导热系数越低，基板导热系数的计算值与理论值之间的误差就越大，但总体来说影响不大。
4 结论
本文根据高亮度LED用印制电路板导热性能的测试方法，运用有限元热分析技术，对电路板厚度方向的导热性能进行了分析，得到了以下结论：
1）涂敷在TEG芯片与基板之间的导热胶，其导热性能的好坏对基板导热性能测试的精度有较大的影响。导热胶导热系数越低，基板导热性能的测试误差越大。
2）对于导热系数较低的导热胶或导热硅脂，其厚度的大小对基板导热性能测试的精度也有较大的影响。导热硅胶厚度越厚，基板导热性能的测试误差越大。但是对于导热系数较高的导热硅胶或导热硅脂，其厚度的大小对基板导热性能测试精度的影响不大。
3）用不同导热系数的冷却块来冷却，对基板的导热系数有一定的影响。冷却块的导热系数越高，基板导热性能的测试误差越小，冷却块的导热系数越低，基板导热性能的测试误差越大，但总体来说影响不大。
本文通过以上的研究与探讨，为制定高亮度LED用印制电路板导热性能测试标准以及提高测试精度提供理论依据。
参考文献
[1] 毕锦栋等. 基于TASPCB的PCB热分析_热设计技术探讨[J]，可靠性设计与工艺控制，2009, 27(4): 42-49.
[2] 兰海等. LED的COB封装热设计[J]，发光学报，2012, 33(5): 535-539.
[3] 张海兵. 功率型LED的热测试和热仿真[M]，厦门大学硕士学位论文，2009年.