大功率LED多芯片模块散热器设计与封装结构热阻分析

论文摘要

LED照明由于具有效率高、能耗低、寿命长、环保等诸多优点而被视为第四代照明光源。对于不同的使用环境,LED芯片散热存在不同的限制条件,需要不同的热设计方案。随着单颗LED芯片功率的不断提高,需要有更好的封装结构设计来满足越来越苛刻的散热要求。复杂外形大功率LED路灯,由于灯具阻碍空气流动,难以通过自然对流方式散热。提出热管鳍片散热方案,将热量通过热管传导到空气流动通畅的空间,通过热管上附着的鳍片完成自然对流换热。优化鳍片间距和鳍片尺寸,强化自然对流散热。针对车用大功率LED照明灯,提出了水冷热沉散热设计。通过数值模拟方法,指出了进口流量、结温和水泵功率三者的关系。比较了热沉内部串联方式、伪串联方式、并联方式和伪并联方式四种水道的优劣。研究了并联方式中鳍片厚度、进口流量等因素对散热的影响。研究了并联方式中结温与各条分水道流速的相对标注偏差（RSD, Relative Standard Deviation）值之间的关系和降低RSD值的方法,并指出分流因子K是影响RSD值的最显著因素。对PN结至热沉热传导的各个环节热阻进行了分析。通过测量DCB基板和Cu-TIM-Cu结构热扩散系数计算了DCB基板内部和TIM层的接触热阻。老化Cu-TIM-Cu结构并测量其热扩散系数,研究散热结构在长期热载荷下的热阻变化。提出了实际热流热阻概念,指出由于热流限制,DCB基板实际热流热阻比理论热阻高一个数量级。基板刻蚀型反光杯设计用以降低DCB基板实际热流热阻。水冷散热方式时,热阻主要由热传导环节构成,芯片和chip TIM层热阻最大。通过间接计算,指出LED芯片5μm厚多层膜结构的当量导热系数为0.9155W/（m·K）。放大衬底垂直结构LED设计可以使热流在芯片衬底内有一定横向扩散,芯片衬底、chip TIM层和DCB基板的实际热流热阻均有降低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究目的与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 芯片结构
• 1.2.2 散热基板
• 1.2.3 热界面材料
• 1.2.4 散热方式
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 实验材料与实验方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 LED 芯片
• 2.1.2 双面陶瓷覆铜板基板
• 2.1.3 SnAgCu 钎料
• 2.1.4 SnBi 钎料
• 2.2 实验设备及方法
• 2.2.1 芯片键合实验
• 2.2.2 金丝球键合实验
• 2.2.3 水冷散热测温实验
• 2.2.4 等温老化实验
• 2.2.5 SEM 分析
• 2.2.6 热扩散系数测量
• 2.3 本章小结
• 第3章 大功率LED 路灯热管散热研究
• 3.1 引言
• 3.2 大功率LED 路灯的光设计
• 3.3 大功率LED 路灯的热设计
• 3.3.1 直接肋片式散热
• 3.3.2 热管式自然对流散热
• 3.4 本章小结
• 第4章 大功率 LED 多芯片模块水冷散热研究
• 4.1 引言
• 4.2 影响水冷散热的因素
• 4.2.1 流体的流动形态
• 4.2.2 流体流速
• 4.2.3 流体的物性参数
• 4.2.4 水冷热沉水道结构与尺寸
• 4.3 水道方式
• 4.3.1 串联水道
• 4.3.2 伪串联水道
• 4.3.3 并联水道
• 4.3.4 伪并联水道
• 4.3.5 四种水道方式比较
• 4.4 并联水道分析与优化
• 4.4.1 鳍片厚度
• 4.4.2 底板厚度
• 4.4.3 鳍片数目
• 4.4.4 进口流量
• 4.4.5 并联水道散热优化曲线
• 4.5 特殊鳍片排列设计
• 4.5.1 结温与RSD 值
• 4.5.2 不等距鳍片排列
• 4.5.3 不等长鳍片排列
• 4.6 入水口与出水口
• 4.6.1 水头损失
• 4.6.2 速度均匀度
• 4.6.3 非对称入口与出口
• 4.6.4 分流因子
• 4.7 风冷与水冷散热结构热阻分析
• 4.8 本章小结
• 第5章 热传导散热强化设计
• 5.1 引言
• 5.2 DCB 基板热阻
• 5.2.1 热阻测量结果与分析
• 5.2.2 实际热流热阻
• 5.2.3 加厚基板刻蚀型反光杯设计
• 5.3 Chip TIM 层与Heatsink TIM 层
• 5.3.1 钎焊工艺优化
• 5.3.2 TIM 热阻测量结果与分析
• 5.3.3 老化试验
• 5.4 芯片热阻
• 5.4.1 芯片热阻测量
• 5.4.2 放大衬底垂直结构
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢