功率型LED散热设计及其封装研究

作     者：王成民 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：何苗

授予年度：2019年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0803[工学-光学工程] 

主      题：功率型LED 倒装封装研究 热沉设计 翅片尺寸优化 

摘      要：半导体照明是节约能源、应用广泛的产业。随着市场对功率型LED器件需求的不断增加,LED光源的封装及其散热研究愈加重要,它是实现产业快速发展的一个关键技术点。本文完整的设计了功率型倒装LED光源芯片级封装,通过测试得到性能良好的白光光源;其次利用有限元仿真软件对热沉翅片尺寸优化和结构设计,与倒装封装的白光光源形成完整的散热体系。主要研究工作如下:首先,通过对国内外文献资料的查阅,对LED的发展历史和研究现状有了深入的了解。确定将光源封装和热沉优化作为研究的重点。从LED的发光原理开始,深入分析芯片的正装、倒装和垂直三种基本结构;概括封装方式的发展历程,并介绍热力学理论。然后,将功率型倒装LED光源封装设计优化。对倒装LED芯片版图和陶瓷基板版图一体化设计,实现电流在芯片表面均匀分布的目的;通过对倒装焊接参数的优化(包括陶瓷基板的温度和焊接的压力值)实现了良好的焊接效果。良好的焊接效果表现为芯片从基板上推开力要大于2kg、推开的芯片表面有良好的焊接面;通过对荧光粉喷涂工艺的优化(优化喷枪口到芯片平面的距离),能够得到分布均匀的荧光粉图层;经过多次喷涂次数实验的验证,实现了根据喷涂次数的设定精准控制光源色温;从光源的测试数据中能够看出光源具有良好的光电参数:光效120lm/W以上,发光角度120°,热阻4℃/W。最后,对热沉翅片进行尺寸设计和结构优化。以此次设计的光源作为热源,采用ANSYS有限元软件建模和仿真。依据选定的光源,预先设定光源的参数。在其他尺寸条件不变的情况下,通过仿真分析确定翅片基板厚度为5mm。翅片基板厚度确定的基础上,将翅片厚度分为1mm、1.5mm、2mm三种,每种翅片厚度下有2mm、3mm、4mm、5mm、6mm五个间隔。然后,将建立的模型进行仿真,再对不同模型的仿真结果进行对比分析,得到一个散热效果较为突出的热沉;在最优尺寸热沉的基础上继续对翅片的长度进行优化,综合多种因素后得到翅片长度的最佳值。散热器的翅片尺寸参数优化完成后,继续对散热器结构设计,进一步提升散热性能。