大功率led封装的散热分析

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1、2扬州大学硕士学位论文点[13,14]。解决大功率LED散热问题的方法主要有两种‘15】：一是提高LED器件的内量子效率，提高芯片的发光效率，从根本上减少热量的产生；二是改进LED的自身结构，从而减小LED的散热热阻，加快内部热量的散发，以有效地降低芯片的温度。本课题采用第二种方法即通过改进散热结构来解决大功率LED的散热问题。一般有以下两种方法可以改进LED的散热结构：(1)实验。通过专用的测量仪器测出芯片结温【161，若结温较高，则根据经验改变封装结构或材料，优化后再进行测试，依此循环，直到得到满意的结温为止。目前，测量L

2、ED温度的方法主要有以下三种：电学参数法、热电偶法和光学法【17】。电学参数法是较早提出的一种测量器件温度的方法【18】，但是该方法只能测物体的平均温度；热电偶法则仅能测量物体的局部温度且其精度不高；相比之下，光学法因其非接触无损伤的特点日益受到人们的重视。尤其是近几年来，随着科学技术的高速发展，光学测温技术的灵敏度和精度也得到了大幅提高，其应用领域也越加广泛。光学测温技术主要分为以下两类：热成像技术和内部热探测技术。前者又分为红外热成像技术(II玎)、荧光热成像技术(FMT)和液晶热成像技术(LCT)。其中，IRT是目前较为

3、成熟的技术，因此在测量精度要求不高的情况下，其应用的最为广泛，其基本原理是利用红外摄像机测量物体每点的红外辐射强度，从而得到该点的温度。IRT应用于半导体已有数十年历史，早在1968年，D．D．GriffinEl9】就通过逐点扫描法获得了半导体陶瓷电阻在不同功率条件下的表面温度分布。为了满足半导体热特性研究的要求，近几年来IRT的研究重点在于提高空间及时间分辨率。早期的商用IRT系统的空间分辨率为数微米，无法探测到更细微的热行为。C．Feng等【20】将近场扫描光学显微镜引入IRT系统，他们采用O．5～1nm孔径的硫卤玻璃光纤

4、作为探针，成功地获得了亚微米分辨率下GaAs器件的红外热像。早期红外测温计的响应时间大约为300ms，并不能检测到较快的温度变化过程，不过A．Hefner等【2l】研究出时间分辨率为1岬的IRT装置，从而使IRT技术用于高速瞬态热分析成为可能。虽然可以测得器件的温度，但实验法还是有避免不了的缺点：测量仪器的价格昂贵且整个设计周期过长。(2)数值模拟。数值模拟方法中属有限单元法应用的最为广泛。近年来，随着有限元理论的逐渐成熟，使得运用有限元软件(ANSYS)对大功率LED进行热分析得NT广泛的应用【22．251。2001年，M．

5、Arik等对大功率LED封装过程中的热问题进行了分析，并着重比较了不同芯片材料及键合技术对LED散热性能的影响【26】；又于2004年分析了芯片缺陷以及芯片键合缺陷对大功率LED的影响【271。吴慧颖、钱可元等【71唐开远大功率LED封装的散热分析3利用有限元法对倒装大功率LED的温度场进行了分析。齐昆等利用有限元法对不同的LED界面材料进行了比较分析。刘一兵等应用ANSYS软件比较了不同芯片键合材料及基板材料的优劣，并分析了基板厚度、芯片功率等对LED结温的影响。裴小明指出了降低LED结温的途径：(1)控制芯片的输入功率；(

6、2)减少LED自身的热阻：(3)良好的二级散热结构；(4)减少LED与二级散热结构面间的接触热阻；(5)降低环境温度T。。同时他还提出了大功率LED在应用中的导热和散热方法，包括根据大功率LED的结温要求设计二级散热结构等【28】。不过由于模型、载荷的复杂性以及理想模型和现实模型的差距等问题，数值模拟的方法只适合在研发中使用。目前市场上的LED产品种类繁多，但多数存在发光效率低、封装技术水平低、散热差等问题。许多工厂在对LED封装的设计过程中主要依据经验开模，而没有进行严格的设计和优化，其成本巨大、效率低。因此采用数值模拟的方

7、法设计性能优异的散热系统，对改进LED封装有着重大的意义。1．3论文主要研究内容本课题主要围绕大功率LED的散热问题进行研究，对封装结构、封装材料等一些影响LED散热的因素进行分析与设计。主要研究内容如下：(1)系统的介绍了LED的基本概念，包括LED的发光原理、特性参数等一些基础知识。(2)介绍传热学的相关理论，提出了LED的热阻网络模型，并对大功率LED的热阻进行理论计算。(3)采用有限元法对大功率LED封装进行三维热力学分析，得到其稳态时的温度分布，随后对比分析了不同封装结构、封装材料、散热条件等对LED散热性能的影响。

8、(4)对不同的散热器结构进行模拟仿真，得到了不同的散热器材料、鳍片厚度、鳍片数目、鳍片高度、鳍片间距等因素对散热器散热性能的影响。此外还比较分析了条形齿散热器和墩形齿散热器散热性能的优劣。鉴于大功率LED的发展趋势和应用前景，本文采用有限元法对大功率LED的封装结构、封装材料