GaN基大功率LED芯片散热研究与优化

发布时间：2017-08-08 07:20

  本文关键词：GaN基大功率LED芯片散热研究与优化

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【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。
【关键词】：GaN LED 三维热模型 热阻 固晶胶
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN312.8
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 课题背景10-14
• 1.1.1 LED发展简史10-11
• 1.1.2 GaN LED自加热概述11-12
• 1.1.3 与温度相关的失效12-14
• 1.1.4 有限元软件COMSOL Multiphysics简介14
• 1.2 国内外研究现状14-17
• 1.3 GaN基LED研究意义17-18
• 1.4 本论文的主要结构及纲要18-20
• 第二章 GaN LED散热理论基础20-38
• 2.1 LED基本理论20-27
• 2.1.1 LED的发光原理20-21
• 2.1.2 LED的I-V特性21-23
• 2.1.3 LED中的复合模型23-25
• 2.1.4 LED芯片级器件结构25-27
• 2.2 传热学理论基础27-30
• 2.2.1 热传导27-28
• 2.2.2 对流传热28-29
• 2.2.3 辐射传热29-30
• 2.3 芯片模块热阻30-37
• 2.3.1 热阻、扩散热阻以及接触热阻的概念30-33
• 2.3.2 内部热阻和外部热阻33-37
• 2.3.3 单个芯片封装的总热阻37
• 2.4 本章小结37-38
• 第三章 GaN大功率LED的热性能分析38-57
• 3.1 GaN大功率LED的建模方法38-41
• 3.1.1 GaN大功率LED的数值模型38-41
• 3.1.2 GaN大功率LED的热阻模型41
• 3.2 DAA层对GaN大功率LED热性能的影响分析41-51
• 3.2.1 DAA的热导率对散热的影响42-45
• 3.2.2 DAA层的面积和键合厚度对散热的影响45-48
• 3.2.3 GaN大功率LED瞬态特性仿真48-49
• 3.2.4 散热片对GaN大功率LED散热的影响49-51
• 3.3 荧光粉的浓度对GaN大功率LED热性能的影响分析51-56
• 3.3.1 GaN大功率白光LED数值模型51-53
• 3.3.2 结果分析与讨论53-56
• 3.4 本章小结56-57
• 第四章 GaN大功率LED散热优化分析与设计57-71
• 4.1 使用散热器优化GaN大功率LED热分布57-62
• 4.2 使用集成散热片设计优化GaN大功率LED热分布62-70
• 4.3 本章小结70-71
• 第五章 结论71-73
• 5.1 本文的主要工作71-72
• 5.2 下一步工作的展望72-73
• 致谢73-74
• 参考文献74-78
• 硕士期间取得的研究成果78-79

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