本文關(guān)鍵詞：GaN基大功率LED芯片散熱研究與優(yōu)化

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【摘要】：發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,LED)是由化合物半導(dǎo)體制作而成的發(fā)光組件,經(jīng)由電子空穴結(jié)合之后可將電能轉(zhuǎn)換成光的形式激發(fā)釋出。高性能固態(tài)照明節(jié)能的需求已導(dǎo)致LED產(chǎn)業(yè)的急劇升級(jí),增加LED芯片的功率密度和電流已被用來降低成本。然而,這會(huì)導(dǎo)致由于LED內(nèi)部的自加熱(Self-Heating)而引起的LED性能的退化。對(duì)大功率LED進(jìn)行良好的熱管理是其廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)。本論文通過有限元軟件COMSOL建立GaN大功率LED的三維熱模型對(duì)其散熱進(jìn)行研究和優(yōu)化。首先,本論文介紹了GaN LED的基本的結(jié)構(gòu)和工作原理,以及熱源產(chǎn)生的原因和對(duì)LED性能的一系列影響,熱管理的研究現(xiàn)狀。同時(shí)介紹了穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的基本原理和熱阻、接觸熱阻和擴(kuò)散熱阻的概念,以及芯片模塊的熱阻計(jì)算。在此基礎(chǔ)上建立大功率LED的封裝一維熱阻模型。其次,本論文通過大功率LED的三維熱模型詳細(xì)分析了固晶膠對(duì)大功率LED散熱的影響,以及在大功率白光LED的熒光粉層中熒光粉的濃度對(duì)LED結(jié)溫的影響。結(jié)果表明:LED的結(jié)溫和結(jié)到板的熱阻極大的受到固晶膠材料的熱導(dǎo)率、固晶層的粘接面積和粘接厚度的影響。一個(gè)較好的固晶層設(shè)計(jì)例子是固晶膠的熱導(dǎo)率為20 W/mK,鍵合厚度為20μm,并且面積為1 mm2。它在給定的環(huán)境溫度下結(jié)溫為337 K。對(duì)熒光粉層溫度的模擬分析表明,YAG熒光粉的濃度在70 wt.%的基礎(chǔ)上繼續(xù)增大時(shí),熒光粉的溫度開始出現(xiàn)略微上升。增加散熱翅片,可以使結(jié)溫降低18 K,當(dāng)翅片高度小于20 mm時(shí),隨著翅片高度增大,結(jié)溫的降低是顯著的;當(dāng)翅片高度超過20 mm以后,繼續(xù)增大翅片高度對(duì)散熱的影響并不大。最后,本文從兩個(gè)方面對(duì)大功率LED的散熱進(jìn)行優(yōu)化。一方面使用變截面翅片使結(jié)溫降低了22 K。另一方面提出一種新的集成散熱結(jié)構(gòu),采用金剛石和金屬作為集成熱擴(kuò)散層。仿真表明,在金剛石和金屬的厚度為4μm,耗散功率為0.8 W的條件下,LED的結(jié)溫分別降低了11K和4.9K。
【關(guān)鍵詞】：GaN LED 三維熱模型 熱阻 固晶膠
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN312.8
【目錄】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 緒論10-20
• 1.1 課題背景10-14
• 1.1.1 LED發(fā)展簡史10-11
• 1.1.2 GaN LED自加熱概述11-12
• 1.1.3 與溫度相關(guān)的失效12-14
• 1.1.4 有限元軟件COMSOL Multiphysics簡介14
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀14-17
• 1.3 GaN基LED研究意義17-18
• 1.4 本論文的主要結(jié)構(gòu)及綱要18-20
• 第二章 GaN LED散熱理論基礎(chǔ)20-38
• 2.1 LED基本理論20-27
• 2.1.1 LED的發(fā)光原理20-21
• 2.1.2 LED的I-V特性21-23
• 2.1.3 LED中的復(fù)合模型23-25
• 2.1.4 LED芯片級(jí)器件結(jié)構(gòu)25-27
• 2.2 傳熱學(xué)理論基礎(chǔ)27-30
• 2.2.1 熱傳導(dǎo)27-28
• 2.2.2 對(duì)流傳熱28-29
• 2.2.3 輻射傳熱29-30
• 2.3 芯片模塊熱阻30-37
• 2.3.1 熱阻、擴(kuò)散熱阻以及接觸熱阻的概念30-33
• 2.3.2 內(nèi)部熱阻和外部熱阻33-37
• 2.3.3 單個(gè)芯片封裝的總熱阻37
• 2.4 本章小結(jié)37-38
• 第三章 GaN大功率LED的熱性能分析38-57
• 3.1 GaN大功率LED的建模方法38-41
• 3.1.1 GaN大功率LED的數(shù)值模型38-41
• 3.1.2 GaN大功率LED的熱阻模型41
• 3.2 DAA層對(duì)GaN大功率LED熱性能的影響分析41-51
• 3.2.1 DAA的熱導(dǎo)率對(duì)散熱的影響42-45
• 3.2.2 DAA層的面積和鍵合厚度對(duì)散熱的影響45-48
• 3.2.3 GaN大功率LED瞬態(tài)特性仿真48-49
• 3.2.4 散熱片對(duì)GaN大功率LED散熱的影響49-51
• 3.3 熒光粉的濃度對(duì)GaN大功率LED熱性能的影響分析51-56
• 3.3.1 GaN大功率白光LED數(shù)值模型51-53
• 3.3.2 結(jié)果分析與討論53-56
• 3.4 本章小結(jié)56-57
• 第四章 GaN大功率LED散熱優(yōu)化分析與設(shè)計(jì)57-71
• 4.1 使用散熱器優(yōu)化GaN大功率LED熱分布57-62
• 4.2 使用集成散熱片設(shè)計(jì)優(yōu)化GaN大功率LED熱分布62-70
• 4.3 本章小結(jié)70-71
• 第五章 結(jié)論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
• 致謝73-74
• 參考文獻(xiàn)74-78
• 碩士期間取得的研究成果78-79

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