白光LED高效封装结构及灯具级散热机理的研究

作为一种复杂的光电子器件,为使白光LED (Light Emitting Diode)取代传统光源应用于照明领域,真正意义上发挥白光LED长寿命、高光效、高可靠性等优点,需要攻克的技术难题包括散热技术、荧光粉技术、封装技术等关键技术。利用数值计算和计算机仿真优化荧光粉涂覆工艺、封装结构、散热器结构和发展新的封装材料,从而提高LED寿命、获得高的出光效率成为目前备受关注的研究方向。目前大家普遍认为,用蓝色或紫外光LED芯片作为激发光源,激发钇铝石榴石(YAG)荧光粉发出白光的方法具有结构简单、制作工艺相对容易且成本低廉的特点,是当前应用最广泛、技术最成熟的制造白光LED的主导方法。因此,本文针对此种白光LED技术,围绕如何提高LED发光效率和改进LED散热能力,对荧光粉、封装结构和材料的光学仿真设计和工艺优化以及照明级白光LED的热学仿真设计和散热结构优化中的系列关键问题进行了研究,取得了如下成果： 1)基于Mie散射理论和瑞利散射截面理论,建立了纳米粒子掺杂的环氧复合材料中的光散射模型,通过算法编程和数值分析得出了纳米粒子的掺加浓度、纳米粒子的直径和折射率与平均光散射长度的关系,为设计每层封装层的最佳厚度提供了理论指导；基于轴向梯度折射率光线传输理论,利用蒙特卡洛方法对薄膜结构中光子的散射作用和具有渐变折射率的多层LED梯度封装结构进行了仿真分析。仿真分析发现基于三层折射率分布为2.01、1.68、1.41的梯度封装结构,透光率相对于常见的单层胶封装结构提高了5.98%。 2)基于能带理论模型,设计出新型纳米核壳结构荧光粉；采用水热合成法将YPO4包覆YVO4:Eu3+核心,形成YVO4:Eu3+@YPO4纳米核壳结构荧光粉。并用X射线衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)和荧光光谱仪(PL)等测试手段对所得样品进行表征。TEM测试结果表明该纳米核壳结构荧光粉粒径为10-30 nm,分布均匀、形态规则、结晶度高,壳厚为5-10 nm；XRD测试结果表明合成的纳米核壳结构的核心结晶度高,而且证明其壳层为YPP4；荧光光谱测试结果表明YVO4：Eu3+@YPO4纳米核壳结构荧光粉比单纯YV04：Eu3+荧光粉的发光效率高出66.75%,而且具有较高的色纯度。进一步,结合第一性原理方法,对YVO4和YPO4晶体的能带结构进行理论计算,定性的说明了电子跃迁和发光的关系。 3)基于CFD方法,根据LED自然对流散热的特点构建起综合考虑“传导-对流-辐射”耦合传热问题的包含LED芯片、基板、散热器和外部流体空间的全场三维数学模型。利用该模型对LED阵列自然对流散热过程进行模拟,结果表明：①流动状态是影响翅片换热特性的重要因素,不同翅片间、以及同一翅片不同位置处的换热系数均存在较大差异,翅片换热特性与流速分布之间存在明显的对应关系。因此,对LED进行散热分析时必须考虑外部空气的流动状态；②辐射效应在自然对流散热中发挥着重要作用,它一方面能减小热阻、降低结温,另一方面对温度场有均匀化作用,能弱化温度分布的不均匀性,提高整体散热效率。在本文的计算条件下,与未考虑辐射相比,当散热器表面严重氧化时(此时辐射效应较强)辐射散热量占总散热量的38.7%,基板最高温度降低6.4℃。因此,强化辐射换热也是提高LED散热性能的有效途径之一 4)平行翅片型LED存在较为严重的方向敏感性问题,不同方向下散热性能的优劣依次是：900>0°>180°>270°(即90°方向时翅片的散热性能最好)。CFD数值模拟揭示,造成不同方向下散热性能显著差异的根本原因是：当LED处于不同方向位置时,形成了具有不同流场结构的自然对流流态,而LED外部流场结构的差异造成了整体换热性能的方向敏感性。开缝翅片在不同方向下均能保持自下而上的流动形态,削弱了流动结构的差异,因此能有效弱化LED自然对流散热的方向敏感性。 5)基于场协同原理的分析表明,在自然对流条件下,LED散热结构改进(翅片开缝和灯具开通孔)强化LED自然对流散热的本质是,通过散热结构的改进,改善了LED器件外部的自然对流流动状态,减小了散热表面附近空间速度场与热流场的夹角,即增强了速度场与热流场的协同程度。因此,利用场协同原理指导LED散热结构设计,建立起协同性更好的流场结构是强化LED自然对流散热的有效途径之一。在本文计算条件下,翅片开缝后散热器翅片表面换热系数提高67.5%,翅片表面的最高温度下降了8℃；灯具开通孔后散热器翅片表面换热系数提高54.8%,翅片表面的最高温度下降约7℃左右。