大功率白光LED照明器件中散热问题的研究

大功率白光LED器件作为一种高转化率的光电固态光源是目前最耀眼的新兴产业之一。LED器件是高功率、高热流密度的电子器件,从芯片,封装到灯具各个环节都面临着热分析和热管理问题。对LED器件热问题的研究十分必要,本文正是依据这一背景来进行研究,从LED产业链即对芯片,封装和灯具中的关键热问题进行系统探讨。 数值模拟了芯片内部的热积累问题,对影响芯片内热传递的因素进行分析,结果发现:SiC衬底对芯片的热传递最有利,衬底厚度越大对芯片中的传热影响越大,蓝宝石和硅做为衬底时,其厚度越小热传递越好,SiC作为衬底的时候厚度为0.04mm时热传导最佳。结果同时表明过度追求高导热系数的基板对散热优化的效果不明显。 界面热阻是LED封装中面临的一个主要热阻,热界面材料的使用面临着评估的问题。本文采用一种热线法的瞬态测试方法设计了实验台,并对常用的导热膏进行了测试,结果表明:所设计的实验台测试简单方便,测量结果具有一定的可靠性。 作为LED应用产品,大功率LED路灯是最关键的应用。以80W大功率白光LED路灯作为研究对象,实验探讨了翅片热沉散热的均匀性,并得到了路灯所用翅片热沉的平均对流换热系数,通过CFD建模对路灯的温度场进行数值验证。在实验测试和数值模拟分析的基础上首次提出一种推算芯片结温的热阻网络方法,用扩散热阻的理论解析解对多芯片封装中的温度场进行计算,结果发现在多芯片封装结构中扩散热阻对温度场的均匀性有影响明显,通过优化多芯片的布置设计可使得温度场变均匀,芯片温度降低。 针对超大功率LED的应用产品首次提出了两种主动式散热器:蜂窝微通道散热器和封闭式微喷散热器。实验测试结果表明两种散热器能够迅速将大量的热量传递到封装结构外。通过数值模拟研究发现微喷散热器结构对其散热能力和流动影响较大,优化微喷结构可改善散热器的散热能力和系统流动阻力。微喷结构中的上腔体高度的降低将明显增加流场中的湍流程度和传热能力。