高功率LED照明系统热设计与热-机械可靠性分析

论文摘要

随着半导体照明技术的发展,LED由于其节能、环保、寿命长等优点已经慢慢向普通照明领域发展。但是LED低的光转换效率（10%～20%）使其大部分能量转换成了热能,造成LED结温过高,可靠性降低。因此,增强LED系统的散热性能和提高其热-机械可靠性是LED光源进入普通照明领域的关键。本文主要针对目前市场上的大部分高功率LED产品还存在着LED结温偏高,可靠性较差,性价比低（成本高）等一系列问题,开展了对单芯片高功率LED器件阵列组合封装系统及高功率LED多芯片集成阵列封装系统的热设计和热-机械可靠性分析。首先,在分析国内外现有高功率LED的热设计及其封装技术的基础上,抽象LED的热模型。运用T3Ster瞬态热阻测试仪对高功率LED照明系统中的扩散热阻进行实验分析并同时测量相关热特性参数。由扩散热阻实验分析得出:合理地增加LED器件与散热翅片的有效接触面积及选择最优的安装位置可以有效降低系统的扩散热阻,提高散热翅片的散热效率。其次,依据LED封装的热特性与光特性要求,结合实验分析的结果及测量的相关热特性参数对单芯片高功率LED器件阵列组合封装系统及高功率LED多芯片集成阵列封装系统进行热结构设计与材料参数优化,并运用热阻网络模型对这两种封装结构的热阻及结温进行计算分析。运用热阻网络模型计算求得的系统热阻与结温分别为（12.48 K/W、74.92℃）和（2.214 K/W、67.066℃）。然后,用ANSYS软件对单芯片高功率LED器件阵列组合封装系统的温度场分布、热应力场进行仿真计算模拟。通过仿真分析,单芯片高功率LED器件阵列组合封装系统的热阻为12.15K/W,结温为73.602℃,与热阻网络模型计算所得到的热阻（12.42 K/W）和结温（74.68℃）非常接近,这也直接验证了热阻网络模型计算的准确性。在热应力分析中发现,LED芯片处存在比较大的热应力,并且最大热应力通常存在于芯片的边角处,这极易产生分层与翘曲。最后应用正交试验设计探讨了不同材料参数组合对LED芯片应力的影响,对高功率LED器件的材料参数进行了优化,得出的最优组合方案为:芯片衬底材料为SiC、芯片键合层材料为Sn63Pb37、热沉材料为AlN。最后,对高功率LED多芯片集成阵列封装系统的稳态温度场分布进行模拟分析并对其系统散热结构进行优化。通过仿真分析,高功率LED多芯片集成阵列封装系统的热阻与结温（2.406K/W、70.717℃）与热阻网络模型计算所得的值（2.214 K/W、67.066℃）非常接近。在综合考虑各方面因素的同时,通过正交试验设计对系统结构参数进行了优化,主要考虑各参数对系统结温产生的影响,得出了一组最优的参数组合方案,即当LED芯片衬底为Si,键合层材料为Sn63Pb37,厚度为0.02mm,翅片高度为70mm,翅片宽度为17.535mm,翅片个数为60,中心柱高度为15mm时,系统结构的散热性能最好,可靠性最高。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 概述
• 1.1.1 LED 内部热量的产生
• 1.1.2 LED 结温
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 课题研究的背景和意义
• 1.4 论文研究内容与思路
• 第二章 照明用高功率LED 封装热管理技术研究
• 2.1 高功率LED 芯片级热管理技术
• 2.2 高功率LED 器件级热管理技术
• 2.2.1 高功率LED 单芯片封装结构
• 2.2.2 高功率LED 多芯片封装结构
• 2.2.3 晶圆级LED 阵列封装结构
• 2.3 高功率LED 板级热管理技术
• 2.3.1 高功率LED 封装基板材料
• 2.3.2 高功率LED 器件阵列封装结构
• 2.3.3 COB 封装结构
• 2.4 高功率LED 系统级热管理技术
• 2.4.1 高功率LED 系统封装技术（SiP-LED）
• 2.4.2 高功率LED 系统散热器结构
• 2.5 本章小结
• 第三章 高功率LED 照明系统热结构设计
• 3.1 传热的基本原理
• 3.1.1 传热的基本方式
• 3.1.2 热阻网络
• 3.2 高功率LED 照明系统扩散热阻研究
• 3.2.1 扩散热阻原理
• 3.2.2 扩散热阻实验分析
• 3.3 单芯片高功率LED 器件阵列组合封装系统热设计
• 3.3.1 单芯片高功率LED 器件的热工模型优化
• 3.3.2 散热基板材料的选择
• 3.3.3 单芯片高功率LED 器件阵列组合封装结构
• 3.4 高功率LED 多芯片集成阵列封装系统热设计
• 3.4.1 多芯片高功率LED 发光组件（MCM-LED）的热工模型
• 3.4.2 高功率LED 多芯片集成阵列封装系统散热器设计
• 3.5 本章小结
• 第四章 高功率LED 照明系统的有限元仿真分析及其参数优化
• 4.1 ANSYS 稳态热分析及其热应力分析
• 4.1.1 稳态热分析
• 4.1.2 热应力分析
• 4.2 单芯片高功率LED 器件阵列组合封装系统热应力分析
• 4.2.1 稳态热分析
• 4.2.2 热应力分析
• 4.3 单芯片高功率LED 器件热-机械材料参数优化
• 4.3.1 基于正交表的单芯片高功率LED 器件材料参数组合设计
• 4.3.2 试验结果处理与分析
• 4.4 高功率LED 多芯片集成阵列封装系统热仿真分析
• 4.5 高功率LED 多芯片集成阵列封装系统散热结构参数优化
• 4.5.1 芯片衬底的优化
• 4.5.2 芯片键合层的优化
• 4.5.3 系统外部散热器结构参数优化
• 4.6 本章小结
• 第五章 全文总结
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读硕士期间主要研究成果