高功率LED照明系統(tǒng)熱設(shè)計與熱-機械可靠性分析.pdf

1、隨著半導(dǎo)體照明技術(shù)的發(fā)展,LED由于其節(jié)能、環(huán)保、壽命長等優(yōu)點已經(jīng)慢慢向普通照明領(lǐng)域發(fā)展。但是LED低的光轉(zhuǎn)換效率(10％~20%)使其大部分能量轉(zhuǎn)換成了熱能,造成LED結(jié)溫過高,可靠性降低。因此,增強LED系統(tǒng)的散熱性能和提高其熱-機械可靠性是LED光源進(jìn)入普通照明領(lǐng)域的關(guān)鍵。本文主要針對目前市場上的大部分高功率LED產(chǎn)品還存在著LED結(jié)溫偏高,可靠性較差,性價比低(成本高)等一系列問題,開展了對單芯片高功率LED器件陣列組合封裝系統(tǒng)

2、及高功率LED多芯片集成陣列封裝系統(tǒng)的熱設(shè)計和熱-機械可靠性分析。
　　首先,在分析國內(nèi)外現(xiàn)有高功率LED的熱設(shè)計及其封裝技術(shù)的基礎(chǔ)上,抽象LED的熱模型。運用T3Ster瞬態(tài)熱阻測試儀對高功率LED照明系統(tǒng)中的擴散熱阻進(jìn)行實驗分析并同時測量相關(guān)熱特性參數(shù)。由擴散熱阻實驗分析得出:合理地增加LED器件與散熱翅片的有效接觸面積及選擇最優(yōu)的安裝位置可以有效降低系統(tǒng)的擴散熱阻,提高散熱翅片的散熱效率。
　　其次,依據(jù)LED封裝的熱

3、特性與光特性要求,結(jié)合實驗分析的結(jié)果及測量的相關(guān)熱特性參數(shù)對單芯片高功率LED器件陣列組合封裝系統(tǒng)及高功率LED多芯片集成陣列封裝系統(tǒng)進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料參數(shù)優(yōu)化,并運用熱阻網(wǎng)絡(luò)模型對這兩種封裝結(jié)構(gòu)的熱阻及結(jié)溫進(jìn)行計算分析。運用熱阻網(wǎng)絡(luò)模型計算求得的系統(tǒng)熱阻與結(jié)溫分別為(12.48 K/W、74.92℃)和(2.214 K/W、67.066℃)。
　　然后,用ANSYS軟件對單芯片高功率LED器件陣列組合封裝系統(tǒng)的溫度場分布、熱應(yīng)

4、力場進(jìn)行仿真計算模擬。通過仿真分析,單芯片高功率LED器件陣列組合封裝系統(tǒng)的熱阻為12.15K/W,結(jié)溫為73.602℃,與熱阻網(wǎng)絡(luò)模型計算所得到的熱阻(12.42 K/W)和結(jié)溫(74.68℃)非常接近,這也直接驗證了熱阻網(wǎng)絡(luò)模型計算的準(zhǔn)確性。在熱應(yīng)力分析中發(fā)現(xiàn),LED芯片處存在比較大的熱應(yīng)力,并且最大熱應(yīng)力通常存在于芯片的邊角處,這極易產(chǎn)生分層與翹曲。最后應(yīng)用正交試驗設(shè)計探討了不同材料參數(shù)組合對LED芯片應(yīng)力的影響,對高功率LED器

5、件的材料參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,得出的最優(yōu)組合方案為:芯片襯底材料為 SiC、芯片鍵合層材料為 Sn63Pb37、熱沉材料為AlN。
　　最后,對高功率LED多芯片集成陣列封裝系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)溫度場分布進(jìn)行模擬分析并對其系統(tǒng)散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。通過仿真分析,高功率LED多芯片集成陣列封裝系統(tǒng)的熱阻與結(jié)溫(2.406K/W、70.717℃)與熱阻網(wǎng)絡(luò)模型計算所得的值(2.214 K/W、67.066℃)非常接近。在綜合考慮各方面因素的同時,通過正交