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汽车前照灯LED多芯片模块的热设计

作　者: 齐林
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: LED前照灯热设计强制空气对流接触热阻温度控制
分类号: U463.651
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

LED具有发光效率高、耗电量少、使用寿命长、安全可靠性强和有利于环保等诸多优点，被认为是第四代汽车前照灯的理想光源，但散热问题是限制大功率LED用作前照灯的瓶颈，LED芯片结温升高将导致光输出降低和寿命减少等问题。本文利用热阻理论计算设计了基于热管的汽车前照灯LED多芯片模块，这种结构利用汽车行驶引起的空气相对流动形成强制对流，可以将芯片结温控制在60℃以下，结构紧凑，适合安置在狭小的汽车灯具空间。采用ANSYS有限元软件数值模拟的方法研究了芯片排列间距、DBC基板尺寸、热沉尺寸等因素对模块散热性能的影响，并根据计算结果优化了散热结构。制作了三种不同方案的模块，采用正向电压法测量了自然对流和不同风速强制空气对流条件下芯片结温随时间变化规律，比较了三种结构的散热性能并分析了导致差异的原因。指出了LED多芯片模块系统热阻构成及各自所占比例，分析了对散热性能产生重要影响的对流换热热阻、接触热阻、芯片热阻和DBC基板热阻的影响因素，并提出了进一步改善方案。考虑到汽车停止行驶时无风冷效果的情况，设计了前照灯LED多芯片模块温控系统，以翅片温度作为反馈信号控制风扇电路通断，通过设置翅片温度阈值为不同值，可以将芯片结温控制在相应范围，从而达到不超过60℃的设计要求。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-6
目录  6-9
第1章绪论  9-19
  1.1 课题背景及研究目的  9-10
  1.2 大功率 LED 散热及结温测量的国内外研究现状  10-17
    1.2.1 大功率 LED 应用中的散热问题  10-11
    1.2.2 大功率 LED 封装的散热结构  11-12
    1.2.3 大功率 LED 封装的基板材料  12-14
    1.2.4 大功率 LED 的散热技术  14-16
    1.2.5 LED 芯片的结温测试方法  16-17
  1.3 本文的主要研究内容  17-19
第2章实验材料及实验方法  19-26
  2.1 实验材料  19-21
    2.1.1 LED 芯片  19-20
    2.1.2 双面敷铜陶瓷基板  20
    2.1.3 翅片热管  20
    2.1.4 铜块热沉  20-21
    2.1.5 高导热银胶  21
    2.1.6 钎料  21
  2.2 实验设备及方法  21-26
    2.2.1 LED 芯片键合  21-22
    2.2.2 LED 芯片互连金丝球键合  22-23
    2.2.3 模块组装实验  23
    2.2.4 LED 常量系数 K 值测定实验  23-24
    2.2.5 LED 芯片结温测量  24-26
第3章前照灯 LED 多芯片模块散热结构设计与优化  26-46
  3.1 引言  26-28
    3.1.1 热传导热阻  26-27
    3.1.2 对流换热热阻  27-28
  3.2 传统散热结构  28-32
    3.2.1 结构设计  28-30
    3.2.2 温度场分析  30-32
  3.3 热管自然对流散热结构  32-40
    3.3.1 结构设计  32-37
    3.3.2 温度场分析  37-40
  3.4 热管强制对流散热结构  40-43
    3.4.1 空气横向掠过翅片管的换热系数  40-41
    3.4.2 结构设计  41-42
    3.4.3 温度场分析  42-43
  3.5 散热性能的影响因素  43-45
    3.5.1 铜块热沉  43
    3.5.2 DBC 基板  43-45
    3.5.3 芯片间距  45
  3.6 本章小结  45-46
第4章前照灯 LED 多芯片模块结温测量  46-54
  4.1 引言  46
  4.2 芯片常量系数 K 值标定  46-49
    4.2.1 测量原理及操作  46-48
    4.2.2 测量结果与分析  48-49
  4.3 LED 多芯片模块结温测量  49-53
    4.3.1 测量原理  49-50
    4.3.2 自然对流散热测量结果与分析  50-51
    4.3.3 强制对流散热测量结果与分析  51-53
  4.4 本章小结  53-54
第5章前照灯 LED 模块散热性能研究及结构优化  54-62
  5.1 引言  54
  5.2 散热性能研究及结构优化  54-61
    5.2.1 对流换热热阻  54-58
    5.2.2 接触热阻  58-60
    5.2.3 芯片热阻  60
    5.2.4 DBC 基板热阻  60-61
    5.2.5 其余热阻  61
  5.3 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  67-69
致谢  69

汽车前照灯LED多芯片模块的热设计

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