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大功率LED热设计研究

作　者: 李焕然
导　师: 王春青
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 大功率LED 数值模拟热分析优化老化
分类号: TN312.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 528次
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内容摘要

本文建立了一种大功率LED照明灯具的封装结构,采用ANSYS有限元软件对其进行热分析,根据热分析的结果逐步改进封装结构,在考虑成本和尺寸限制的条件下,对LED的封装散热结构进行了优化。具体内容如下:建立了LED结构模型,通过ANSYS模拟,得出了其稳态和瞬态的温度场分布。在稳态时,LED芯片的温度为396K,灯罩为320K。通过实际测量与计算得出LED的结温为394.5K,与稳态模拟的结果基本上吻合。提出了几种优化方案,分别是采用不同的LED封装材料以及采用不同的铝热沉结构尺寸,并且进行了模拟对比,结果表明:同时采用Cu-Mo-Cu复合基板和铝热沉效果最佳,可使LED结温降为63℃,温差降为11℃。当只采用铝热沉时,用料最节省。此方案或与其接近的优化方案,在经济性和效果之间达到了较好的平衡,是比较可行的方案。针对Cu衬底的高功率白光LED器件进行温度加速和电流加速老化试验。根据温度加速老化试验的结果进行寿命分析,得出该LED器件在25℃常温环境工作时的寿命约为7.47万小时,而在60℃高温环境工作时的寿命约为1.09万小时。测试并分析了LED器件在老化后的I-V特性,发现反向漏电流增加,且与隧道电流升高相一致,这是芯片有源区缺陷密度增加造成的。电流老化下芯片结温要比单纯温度老化下低,但芯片退化速度却更快,可能是电流老化时高温和高电流密度的综合作用使芯片更容易退化。温度老化下LED器件光通量的下降程度和电流老化下的相当,这可能是由于温度老化时,芯片结温更高,芯片周围的荧光粉、封装树脂等也发生退化,使最终的出光效率下降。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-17
  1.1 概述  10-11
  1.2 LED 的市场应用前景  11-12
  1.3 LED 的结构及发光原理  12-14
  1.4 LED 封装形式的演变  14-16
  1.5 本文研究的内容  16-17
第2章 LED 热分析的有限元方法及热模拟过程  17-26
  2.1 稳态与瞬态热分析  17-18
    2.1.1 稳态传热  17
    2.1.2 瞬态传热  17-18
    2.1.3 非线性分析  18
  2.2 有限元方法的基本步骤  18-20
    2.2.1 预处理阶段  19-20
    2.2.2 求解阶段  20
    2.2.3 后处理阶段  20
  2.3 ANSYS 瞬态热分析的主要流程  20-22
    2.3.1 建模  21
    2.3.2 加载求解  21
    2.3.3 后处理  21-22
  2.4 LED 热模拟模型  22-24
  2.5 网格的划分  24-25
  2.6 参数的确定  25
  2.7 本章小节  25-26
第3章 LED 热模拟结果及实验验证  26-35
  3.1 稳态模拟结果  26-27
    3.1.1 不考虑灯罩  26
    3.1.2 考虑灯罩  26-27
  3.2 瞬态模拟结果  27-30
    3.2.1 10s 时的温度场分布  27-28
    3.2.2 50s 时的温度场分布  28-29
    3.2.3 100s 时的温度场分布  29-30
    3.2.4 芯片温度的开启响应  30
  3.3 实验目的  30
  3.4 实验器材  30-31
  3.5 实验原理  31-32
  3.6 实验步骤  32-33
  3.7 实验结论与分析  33-34
  3.8 实验结论  34
  3.9 本章小节  34-35
第4章 LED 封装材料及结构的优化  35-49
  4.1 优化的目标及材料优化方案  35-36
  4.2 材料优化方案  36-42
    4.2.1 采用铝热沉  37-39
    4.2.2 采用铜热沉  39-40
    4.2.3 采用Cu-Mo-Cu 基板  40-41
    4.2.4 同时采用Cu-Mo-Cu 复合材料基板和铝热沉  41-42
    4.2.5 优化方案对比  42
  4.3 ANSYS 优化设计的相关概念及设计流程  42-43
  4.4 优化中网格划分问题  43
  4.5 铝沉优化  43-44
  4.6 优化结果  44-47
    4.6.1 温度最低方案  44-45
    4.6.2 用料最省方案  45-46
    4.6.3 其他优化方案  46-47
    4.6.4 改变热沉形状方案  47
  4.7 优化方案对比  47-48
  4.8 本章小节  48-49
第5章高功率LED 器件的老化特性研究  49-62
  5.1 LED 的光学特性参数  49-50
  5.2 计算LED 寿命的方法  50-52
  5.3 Cu 衬底GaN 基白光LED 器件老化试验  52-56
    5.3.1 LED 器件结构及光电性能  52-54
    5.3.2 LED 器件老化试验  54-55
    5.3.3 LED 器件老化寿命分析  55-56
  5.4 LED 器件的老化特性分析  56-61
  5.5 本章小结  61-62
结论  62-63
参考文献  63-67
攻读学位期间发表的学术论文  67-68
致谢  68-69
个人简历  69-70

大功率LED热设计研究

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