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大功率LED封装散热性能分析

作　者: 陈建龙
导　师: 文尚胜; 徐连城
学　校: 华南理工大学
专　业: 材料工程
关键词: 大功率LED 封装材料封装结构热分析 ANSYS有限元分析
分类号: TN312.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

LED以其节能、环保、体积小、寿命长、耐冲击、可靠性高、响应速度快等一系列突出优点，被认为是取代传统照明的新型绿色照明光源。随着LED在照明领域的应用发展，高功率、高亮度、高品质的LED已经成为重要的发展趋势。然而，目前LED的电光转换效率较低，随着功率的增大，散热问题已成为LED照明普及和发展的最大技术瓶颈，如何提高大功率LED器件的散热性能是其发展道路上亟待解决的关键技术之一。要获得高品质、高功率的LED，就必须改进大功率LED封装。在大功率LED封装的散热设计上，最重要的课题是有效降低芯片发光层至环境的热阻，通过设计合理的散热通道，让热量从芯片通过最有效的通道扩散出来。高效散热的封装材料和封装结构的合理选择，是有效提高大功率LED封装可靠性的重要环节。同时，设计并使用更适合的散热结构和散热方式也可以提高大功率LED的可靠性。因此，对大功率LED封装的散热性能进行研究，有利于促进大功率LED器件整体性能和可靠性的提高，加快半导体照明时代的进程。文中采用理论分析与计算机仿真模拟分析相结合的方法，研究了多种大功率LED封装材料和封装结构对器件散热性能的影响。其中，封装材料主要研究了基板材料、粘接材料和密封材料，封装结构主要研究了新型的去除铝基板结构和多芯片COB封装结构。分析结果表明：(1)对于功率为1W的芯片，选用热导率为20W/(m·K)的散热基板，热导率为20~80W/(m·K)的固晶材料，即可满足一般器件的要求。散热基板的最佳厚度为1.8mm，适当减小固晶层的厚度，可在一定程度上降低大功率LED正常工作时的芯片温度，并降低其封装成本。(2)免铝基板的新型封装结构散热效果优于传统的铝基板封装结构，且随着LED灯具功率的增大，其散热优势更加明显。同时采用COB封装方式和共晶焊接工艺，能有效提高大功率LED的热特性。由此可见，封装材料的合理组合和封装结构的优化设计，有利于改进大功率LED封装，对提高大功率LED散热性能具有极其重要的意义，并为解决大功率LED的散热问题提供新的途径。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第一章绪论  10-21
  1.1 本课题的研究背景  10-11
  1.2 大功率LED散热研究进展  11-13
    1.2.1 提高芯片发光效率  11-12
    1.2.2 改进大功率LED封装  12-13
  1.3 大功率LED封装研究进展  13-18
    1.3.1 封装材料研究进展  13-15
      1.3.1.1 基板材料  14
      1.3.1.2 粘接材料  14-15
      1.3.1.3 密封材料  15
    1.3.2 封装结构研究进展  15-18
      1.3.2.1 正装结构与倒装结构  15-16
      1.3.2.2 金属线路板结构  16-17
      1.3.2.3 板上封装结构  17
      1.3.2.4 其他封装结构  17-18
  1.4 大功率LED封装散热的发展趋势  18-20
  1.5 本文的研究目的及内容  20
  1.6 本章小结  20-21
第二章大功率LED散热分析  21-29
  2.1 传热方式  21-23
    2.1.1 热传导  21
    2.1.2 热对流  21-22
    2.1.3 热辐射  22-23
  2.2 大功率LED封装散热的影响因素  23-24
    2.2.1 热传导对大功率LED散热的影响  23
    2.2.2 热对流对大功率LED散热的影响  23-24
  2.3 大功率LED封装的热阻  24
  2.4 简化热模型  24-26
    2.4.1 单热阻模型  25
    2.4.2 双热阻模型  25-26
  2.5 基于ANSYS软件的有限元热分析方法  26-28
    2.5.1 ANSYS有限元分析软件  26-27
    2.5.2 有限元分析方法  27
    2.5.3 有限元分析步骤  27-28
  2.6 本章小结  28-29
第三章封装材料对大功率LED散热性能的影响  29-45
  3.1 基板材料对大功率LED散热性能的影响  29-36
  3.2 粘接材料对大功率LED散热性能的影响  36-41
  3.3 密封材料对大功率LED散热性能的影响  41-43
  3.4 本章小结  43-45
第四章封装结构对大功率LED散热性能的影响  45-61
  4.1 去除铝基板的新型封装结构  45-52
    4.1.1 理论分析  45-47
    4.1.2 仿真模拟  47-48
    4.1.3 结果与讨论  48-52
      4.1.3.1 输入功率为1W的灯具  48-49
      4.1.3.2 输入功率为3W的灯具  49-52
  4.2 COB封装结构  52-60
    4.2.1 理论模型  52-54
      4.2.1.1 热阻分析  52-53
      4.2.1.2 相关模拟说明  53-54
    4.2.2 结果与讨论  54-60
      4.2.2.1 COB封装器件与传统分立器件的比较  54-57
      4.2.2.2 固晶胶粘接工艺与共晶焊接工艺的比较  57-58
      4.2.2.3 固晶层厚度对热特性的影响  58-60
  4.3 本章小结  60-61
结论  61-63
参考文献  63-67
攻读硕士学位期间取得的研究成果  67-68
致谢  68-69
附件  69

大功率LED封装散热性能分析

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