白光LED高效封裝結構及燈具級散熱機理的研究.pdf

1、作為一種復雜的光電子器件，為使白光LED(Light Emitting Diode)取代傳統(tǒng)光源應用于照明領域，真正意義上發(fā)揮白光LED長壽命、高光效、高可靠性等優(yōu)點，需要攻克的技術難題包括散熱技術、熒光粉技術、封裝技術等關鍵技術。利用數(shù)值計算和計算機仿真優(yōu)化熒光粉涂覆工藝、封裝結構、散熱器結構和發(fā)展新的封裝材料，從而提高LED壽命、獲得高的出光效率成為目前備受關注的研究方向。目前大家普遍認為，用藍色或紫外光LED芯片作為激發(fā)光源，激發(fā)

2、釔鋁石榴石(YAG)熒光粉發(fā)出白光的方法具有結構簡單、制作工藝相對容易且成本低廉的特點，是當前應用最廣泛、技術最成熟的制造白光LED的主導方法。因此，本文針對此種白光LED技術，圍繞如何提高LED發(fā)光效率和改進LED散熱能力，對熒光粉、封裝結構和材料的光學仿真設計和工藝優(yōu)化以及照明級白光LED的熱學仿真設計和散熱結構優(yōu)化中的系列關鍵問題進行了研究，取得了如下成果：
　　 1)基于Mie散射理論和瑞利散射截面理論，建立了納米粒子摻

3、雜的環(huán)氧復合材料中的光散射模型，通過算法編程和數(shù)值分析得出了納米粒子的摻加濃度、納米粒子的直徑和折射率與平均光散射長度的關系，為設計每層封裝層的最佳厚度提供了理論指導；基于軸向梯度折射率光線傳輸理論，利用蒙特卡洛方法對薄膜結構中光子的散射作用和具有漸變折射率的多層LED梯度封裝結構進行了仿真分析。仿真分析發(fā)現(xiàn)基于三層折射率分布為2.01、1.68、1.41的梯度封裝結構，透光率相對于常見的單層膠封裝結構提高了5.98％。
　　

4、2)基于能帶理論模型，設計出新型納米核殼結構熒光粉；采用水熱合成法將YPO4包覆YVO4：Eu3+核心，形成YVO4：Eu3+@YPO4納米核殼結構熒光粉。并用X射線衍射儀(XRD)、透射電鏡(TEM)和熒光光譜儀(PL)等測試手段對所得樣品進行表征。TEM測試結果表明該納米核殼結構熒光粉粒徑為10～30 nm，分布均勻、形態(tài)規(guī)則、結晶度高，殼厚為5～10 nm；XRD測試結果表明合成的納米核殼結構的核心結晶度高，而且證明其殼層為YPO

5、4；熒光光譜測試結果表明YVO4：Eu3+@YPO4納米核殼結構熒光粉比單純YVO4：Eu3+熒光粉的發(fā)光效率高出66.75％，而且具有較高的色純度。進一步，結合第一性原理方法，對YVO4和YPO4晶體的能帶結構進行理論計算，定性的說明了電子躍遷和發(fā)光的關系。
　　 3)基于CFD方法，根據(jù)LED自然對流散熱的特點構建起綜合考慮“傳導-對流-輻射”耦合傳熱問題的包含LED芯片、基板、散熱器和外部流體空間的全場三維數(shù)學模型。利用該

6、模型對LED陣列自然對流散熱過程進行模擬，結果表明：①流動狀態(tài)是影響翅片換熱特性的重要因素，不同翅片間、以及同一翅片不同位置處的換熱系數(shù)均存在較大差異，翅片換熱特性與流速分布之間存在明顯的對應關系。因此，對LED進行散熱分析時必須考慮外部空氣的流動狀態(tài)；②輻射效應在自然對流散熱中發(fā)揮著重要作用，它一方面能減小熱阻、降低結溫，另一方面對溫度場有均勻化作用，能弱化溫度分布的不均勻性，提高整體散熱效率。在本文的計算條件下，與未考慮輻射相比，當

7、散熱器表面嚴重氧化時(此時輻射效應較強)輻射散熱量占總散熱量的38.7％，基板最高溫度降低6.4℃。因此，強化輻射換熱也是提高LED散熱性能的有效途徑之一。
　　 4)平行翅片型LED存在較為嚴重的方向敏感性問題，不同方向下散熱性能的優(yōu)劣依次是：90°>0°>180°>270°(即90°方向時翅片的散熱性能最好)。CFD數(shù)值模擬揭示，造成不同方向下散熱性能顯著差異的根本原因是：當LED處于不同方向位置時，形成了具有不同流場結構的

8、自然對流流態(tài)，而LED外部流場結構的差異造成了整體換熱性能的方向敏感性。開縫翅片在不同方向下均能保持自下而上的流動形態(tài)，削弱了流動結構的差異，因此能有效弱化LED自然對流散熱的方向敏感性。
　　 5)基于場協(xié)同原理的分析表明，在自然對流條件下，LED散熱結構改進(翅片開縫和燈具開通孔)強化LED自然對流散熱的本質是，通過散熱結構的改進，改善了LED器件外部的自然對流流動狀態(tài)，減小了散熱表面附近空間速度場與熱流場的夾角，即增強了速