大功率白光LED器件及照明灯具的热设计与光设计

论文摘要

大功率白光LED因其具有低电压、低能耗、长寿命、高可靠性等优点,而有望成为第四代照明光源,但是热设计和光设计上的不成熟性制约了其在照明领域的推广。利用有限元分析的方法从LED器件和芯片的角度研究了散热结构中各因素对散热性能的影响,其中包括热沉尺寸、热扩散层以及侧面热扩散等。利用正交设计的方法分析了常用肋片型和针肋型散热热沉各参数对散热系统的影响规律,并得出了这两种结构的最优化参数。本文提出了一种带凹槽铜基板强化热扩散的结构,从有限元和试验两个角度验证了其可行性,并将其应用到LED投射灯的组装当中,最后的测试结果验证了这种结构的实际散热效果。使用Tracepro光学仿真软件以及正交设计的方法详细分析了旋转抛物面反射体的各因素,并得出了焦距对法向光强和半强度角的影响趋势。得出了通过两个LED照度分布估算间距的方法,并将其应用于估算M×N LED阵列的间距,解决了难于直接用照度分布函数求解间距的问题,但结果的准确性受到LED阵列大小的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题意义
• 1.2 LED封装的热管理
• 1.2.1 LED芯片结构
• 1.2.2 主动散热
• 1.3 LED封装的光学设计
• 1.3.1 一次光学设计
• 1.3.2 二次光学设计
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 散热结构有限元分析
• 2.1 LED器件级的散热结构分析
• 2.1.1 LED器件模型的简化
• 2.1.2 散热热沉基底尺寸的影响
• 2.1.3 增加热扩散层的效果
• 2.1.4 去除TIM层
• 2.1.5 增加侧面传热通道的效果
• 2.2 芯片级的散热结构分析
• 2.2.1 LED芯片简化模型
• 2.2.2 蓝宝石衬底型LED芯片
• 2.2.3 铜衬底型LED芯片
• 2.3 本章小结
• 第3章 常用散热热沉肋结构正交分析
• 3.1 肋片型散热热沉的正交分析
• 3.1.1 正交试验及结果
• 3.1.2 计算结果分析
• 3.2 针肋型散热热沉的正交分析
• 3.2.1 正交试验及结果
• 3.2.2 计算结果分析
• 3.3 本章小结
• 第4章 带凹槽铜基板强化传热
• 4.1 带凹槽铜基板有限元模拟
• 4.1.1 有限元模型
• 4.1.2 有限元模拟结果
• 4.2 有凹槽铜基板散热特性试验
• 4.2.1 试验材料及设备
• 4.2.2 LED器件与铜基板间的连接
• 4.2.3 钎料层及导热胶层厚度测量
• 4.2.4 温度测量结果及分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 LED投射灯有限元及试验研究
• 5.1 LED投射灯有限元分析
• 5.1.1 有限元模型的建立
• 5.1.2 计算结果及分析
• 5.2 LED投射灯的组装及测试
• 5.2.1 LED投射灯的组装
• 5.2.2 LED投射灯的测试
• 5.3 本章小结
• 第6章 LED二次光学设计
• 6.1 投射灯光学特性分析
• 6.1.1 模型建立
• 6.1.2 结果分析
• 6.2 单器件二次光学设计
• 6.2.1 圆锥曲面反射体
• 6.2.2 三维复合反射体
• 6.3 LED阵列分布研究
• 6.3.1 两个LED的光照度分布
• 6.3.2 矩形LED阵列的光照度分布情况
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢