GaN基大功率LED芯片散热研究与优化

作     者：张小六 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周伟

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：GaN LED 三维热模型 热阻 固晶胶 

摘      要：发光二极管(Light Emitting Diode,LED)是由化合物半导体制作而成的发光组件,经由电子空穴结合之后可将电能转换成光的形式激发释出。高性能固态照明节能的需求已导致LED产业的急剧升级,增加LED芯片的功率密度和电流已被用来降低成本。然而,这会导致由于LED内部的自加热(Self-Heating)而引起的LED性能的退化。对大功率LED进行良好的热管理是其广泛应用的基础。本论文通过有限元软件COMSOL建立GaN大功率LED的三维热模型对其散热进行研究和优化。首先,本论文介绍了GaN LED的基本的结构和工作原理,以及热源产生的原因和对LED性能的一系列影响,热管理的研究现状。同时介绍了稳态导热的基本原理和热阻、接触热阻和扩散热阻的概念,以及芯片模块的热阻计算。在此基础上建立大功率LED的封装一维热阻模型。其次,本论文通过大功率LED的三维热模型详细分析了固晶胶对大功率LED散热的影响,以及在大功率白光LED的荧光粉层中荧光粉的浓度对LED结温的影响。结果表明:LED的结温和结到板的热阻极大的受到固晶胶材料的热导率、固晶层的粘接面积和粘接厚度的影响。一个较好的固晶层设计例子是固晶胶的热导率为20 W/mK,键合厚度为20μm,并且面积为1 mm2。它在给定的环境温度下结温为337 K。对荧光粉层温度的模拟分析表明,YAG荧光粉的浓度在70 wt.%的基础上继续增大时,荧光粉的温度开始出现略微上升。增加散热翅片,可以使结温降低18 K,当翅片高度小于20 mm时,随着翅片高度增大,结温的降低是显著的;当翅片高度超过20 mm以后,继续增大翅片高度对散热的影响并不大。最后,本文从两个方面对大功率LED的散热进行优化。一方面使用变截面翅片使结温降低了22 K。另一方面提出一种新的集成散热结构,采用金刚石和金属作为集成热扩散层。仿真表明,在金刚石和金属的厚度为4μm,耗散功率为0.8 W的条件下,LED的结温分别降低了11K和4.9K。