照明用大功率led阵列散热设计论文与仿真分析-

北京航空航天大学硕士学位论文绪论1绪论1.1课题的来源和意义1.1.1课题的来源目前在照明领域正酝酿着一场变革，大功率LED在照明领域逐渐取代传统光源，大功率白光LED以其体积小巧、高亮度、寿命长、工作电压低、使用安全等众多优点冲击着传统光源的市场地位。然而，大功率LED在散热和价格等方面的技术难题没有很好的解决，严重制约着大功率白光LED在民用照明领域的发展。某公司设计的一个18W的大功率白光LED灯具为本论文的研究对象，本论文针对该灯具在研究大功率LED封装热特性基础上对LED照明阵列进行散热器的设计，并对LED照明阵列建立等效热阻网络模型和软件仿真分析，最后对LED照明灯具进行热试验，来验证仿真结果的正确性。1.1.2课题的意义近年来，大功率白光LED以其体积小巧、高亮度、寿命长、工作电压低、使用安全、响应速度快、耐冲击防震动、无紫外线和红外线辐射等诸多优点，应用范围在逐渐的扩大，在城市景观、LCD背光板、交通标志、汽车尾灯照明和广告招牌等方面有着广泛的应用，具有良好的应用前景。但由于成本和技术等各方面原因，在普通照明领域的应用一直发展缓慢。大功率LED芯片的有源区面积小、工作电流大，输入功率中又只有少部分能量转化为光能，其余的则转化为热能造成其结温升高。结温是衡量大功率LED封装散热性能的一个重要技术指标：结温升高，会直接减少芯片射出的光子数量，使发光效率降低；结温的升高还会使芯片的发射光谱发生红移，色温质量下降，尤其是对基于蓝光LED激发黄色荧光粉的白光LED器件更为严重，其中荧光粉的转换效率也会随着温度升高而降低。同时由于温度升高而产生的各种热效应也会严重影响到LED器件的使用寿命和可靠性，当温度超过一定值时，器件失效率呈指数规律变化。因此，对大功率LED进行散热研究具有重要的理论意义和工程实用价值。1.2国外内LED封装的研究现状及发展趋势1.2.1国外功率型LED封装技术发展现状（1）普通功率LED根据报导，最早是由HP公司于1993年推出“食人鱼”封装结构的LED[1]，称“SuperfluxLED”，并于1994年推出改进型的“SnapLED”。它们典型的工作电流，分别为70mA和150mA，输入功率分别为0.1W和0.3W。Osram公司推出“PowerTOPLED”是采用金属框架的PLCC封装结构。之后其他一些公司推出多种功率LED的封装结构。其中一种PLCC-4结构封装形式，其功率约200-300mW，这些结构的热阻一般为75-125oC/W。总之，这些结构的功率LED比原支架式封装的LED输入功率提高几倍，热阻下降为原来的几分之一。（2）W级功率LEDW级功率LED是未来照明的核心部分，所以世界各大公司投入很大力量，对W级功率封装技术进行研究开发，并均已将所得的新结构、新技术等申请各种专利。单芯片W级功率LED最早是由Lumileds公司于1998年推出的LuxeonLED，根据报导，该封装结构的特点是采用热电分离的形式，将倒装芯片用硅载体直接焊接在热沉上，并采用反射杯、光学透镜和柔性透明胶等新结构和新材料，提高了器件的取光效率并改善了散热特性。可在较大的电流密度下稳定可靠的工作，并具有比普通LED低得多的热阻，一般为14-17oC/W，现有1W、3W和5W的产品。该公司近期还报导，推出LuxeonIIILED产品，由于对封装和芯片进行改善，可在更高的驱动电流下工作，在700mA电流工作50000小时后仍能保持70%的流明，在1A电流工作20000小时能保持50%的流明。1.2.2国内功率型LED封装技术发展现状国内LED普通产品的后工序封装能力应该是很强的，封装产品的品种较齐全，据初步估计，全国LED封装厂超过200家，封装能力超过200亿只/年，封装的配套能力也是很强的，但是很多封装厂为私营企业，目前来看规模偏小。[2]早在上世纪九十年代国内就开展功率型LED封装的研究工作，一些有实力的封装企业，当时就开始开发并批量生产，如“食人鱼”功率型LED。国内有很多的大学、研究所对大功率LED封装技术开展了研究，其中信息产业部第13研究所对功率型LED封装技术开展研究工作，并取得很好的研究成果，开发出具体的功率LED产品。国内有实力的LED封装企业（外商投资除外），如佛山国星、厦门华联等几个企业，很早就开展功率型LED的研发工作，并取得较好的效果。如“食人鱼”和PLCC封装结构的产品，均可批量生产，并已研制出单芯片1W级的大功率LED封装的样品。而且还进行多芯片或多器件组合的大功率LED研制开发，并可提供部分样品供试用。对大功率LED封装技术的研究开发，目前国家尚未正式支持投入，国内研究单位很少介入，封装企业投入研发的力度（人力和财力）还很不够，形成国内对封装技术的开发力量薄弱的局面，其封装的技术水平与国外相比还有相当的差距。1.2.3LED封装技术发展趋势1）采用大面积芯片封装用1x1mm2的大尺寸芯片取代现有的0.3x0.3mm2的小芯片封装，在芯片注入电流密度不能大幅度提高的情况下，是一种主要的技术发展趋势[3]。2）芯片倒装技术解决电极挡光和蓝宝石不良散热问题，从蓝宝石衬底面出光。在p电极上做上厚层的银反射器，然后通过电极凸点与基座上的凸点键合。基座用散热良好的Si材料制得，并在上面做好防静电电路。根据美国Lumileds公司的结果，芯片倒装约增加出光效率1.6倍。芯片散热能力也得到大幅改善，采用倒装技术后的大功率发光二极管的热阻可低到12～15oC/W。3）金属键合技术这是一种廉价而有效的制作功率LED的方式。主要是采用金属与金属或者金属与硅片的键合技术，采用导热良好的硅片取代原有的GaAs或蓝宝石衬底，金属键合型LED具有较强的热耗散能力。4）开发大功率紫外光LEDUVLED配上三色荧光粉提供了另一个方向，白光色温稳定性较好，使其在许多高品质需求的应用场合（如节能台灯）中得到应用。这样的技术虽然有种种的优点，但仍有相当的技术难度，这些困难包括配合荧光粉紫外光波长的选择、UVLED制作的难度及抗UV封装材料的开发等等。5）开发新的荧光粉和涂敷工艺荧光粉质量和涂敷工艺是确保白光LED质量的关键。荧光粉的技术发展趋势是开发纳米晶体荧光粉、表面包覆荧光粉技术，在涂布工艺方面发展荧光粉均匀的荧光板技术，将荧光粉与封装材料混合技术。6）开发新的封装材料开发新的安装在LED芯片的底板上的高导热率的材料，从而使LED芯片的工作电流密度约提高5～10倍。就目前的趋势看来，金属基座材料的选择主要是以高热传导系数的材料为组成，如铝、铜甚至陶瓷材料等，但这些材料与芯片间的热膨胀系数差异甚大，若将其直接接触很可能因为在温度升高时材料间产生的应力而造成可靠性的问题，所以一般都会在材料间加上兼具传导系数及膨胀系数的中间材料作为间隔。7）多芯片型RGBLED将发出红、蓝、绿三种颜色的芯片，直接封装在一起配成白光的方式，可制成白光发光二极管。其优点是不需经过荧光粉的转换，藉由三色晶粒直接配成白光，除了可避免因为荧光粉转换的损失而得到较佳的发光效率外，更可以藉由分开控制三色发光二极管的光强度，达成全彩的变色效果(可变色温)，并可藉由芯片波长及强度的选择得到较佳的演色性。利用多芯片RGBLED封装型式的发光二极管，很有机会成为取代目前使用CCFL的LCD背光模块中背光源的主要光源之一。8）多芯片集成封装目前大尺寸芯片封装还存在发光的均匀和散热等问题亟待解决。采用常规芯片进行高密度组合封装的功率型LED可以获得较高发光通量，是一种切实可行很有推广前景的功率型LED固体光源。小芯片工艺相对成熟，各种高热导绝缘夹层的铝基板便于芯片集成和散热。9）平面模块化封装平面模块化封装是另一个发展方向，这种封装的好处是由模块组成光源，其形状，大小具有很大的灵活性，非常适合于室内光源设计，芯片之间的级联和通断保护是一个难点。大尺寸芯片集成是获得更大功率LED的可行途径，倒装芯片结构的集成，优点或许更多一些。1.3主要的研究内容和实施方案1.3.1研究内容论文研究的主要内容1）LED封装的热特性研究研究大功率LED封装的结构和内部热沉对LED散热性能的影响，对目前流行的封装技术和散热方法进行综合研究分析。2）建立LED照明阵列的等效热阻网络模型仅靠改进LED的封装结构和材料的选择并不能满足大功率LED的散热需要，LED的封装结构确定后还应在LED外部加装散热器。在对大功率LED封装热特性研究的基础上，对LED照明阵列建立等效热阻网络模型，分析得出LED的壳温与结温之间的关系。3）LED照明阵列散热器的设计与仿真：在对封装热特性和热阻网络研究的基础上，对某LED照明阵列设计相应的散热器，并对LED照明阵列进行建模和仿真分析，计算得到LED的结温，与设计目标相比较，评估散热器的散热性能。4）试验验证：为验证ICEPAK软件对大功率LED阵列进行仿真分析结果的正确性，对LED照明灯具进行热试验。1.3.2实施方案在研究大功率LED封装的热特性的基础上，为其设计散热器，并对LED照明阵列建立等效热阻网络模型，分析得出LED阵列的结温与壳温之间的关系，然后利用ICEPAK软件对大功率LED阵列进行仿真分析，可以获得LED芯片的壳温，通过计算得到LED的结温，最后通过试验来验证仿真结果的正确性。具体方案如下：1）LED的散热性能研究：查找有关大功率LED散热器散热方面的论文和书籍，研究LED封装结构、内部热沉对LED散热性能的影响，并对目前国际上流行的封装技术进行综合研究分析。2）等效热阻模型的建立：由于对流换热和辐射换热起的作用较小，忽略对流换热和辐射换热的影响，只考虑主要热通道的热传导。硅橡胶/环氧树脂、荧光粉和塑料外壳封装的热导率极低，为计算方便，只考虑热量从芯片到芯片热沉底部的热传导的路径，建立LED照明阵列的简化等效热阻网络，计算获得LED的壳温与结温之间的关系。3）温度场的仿真分析：采用ICEPAK软件对LED照明阵列进行热分析，利用ICEPAK软件建立LED灯具的模型，模型主要由热源、金属线路板、高导热银胶和散热器四个部分组成。模型中把每只功率LED考虑成一个热源，通过建模计算，得到了LED照明阵列金属线路板、背板和热源温度场分布，进而获得LED的壳温，再由LED壳温计算得到结温。4）试验与验证：将上述大功率LED照明阵列，放入温度试验箱，将试验箱的温度设定为40度，连续工作1000小时，采用接触式热测量系统，测量LED照明阵列金属线路板、背板和热源的温度，与仿真结果作对比，来评估仿真结果的正确性。

2大功率器件的散热方法及设计要点2.1引言随着电子器件的高频、高速以及集成电路技术的迅速发展，电子元器件的总功率密度大幅度增长而物理尺寸却越来越小，热流密度也随之增加，所以高温的温度环境势必会影响电子元器件的性能，这就要求对其进行更加高效的热控制，这些电路的散热问题变得日益突出。因此，选择良好的散热方法和散热器类型是这些电子元器件发挥良好性能的有力保障。2.2常用的散热方法电子元器件的高效散热问题与传热学、流体力学等原理的应用密切相关。电子器件散热的目的是对电子设备的运行温度进行控制，以保证其工作的稳定性和可靠性。这其中涉及了与传热有关的散热、材料等多方面内容。从应用的角度看，常用的散热方法主要有:自然散热、强制散热、液体冷却。[4]2.2.1自然对流散热方法自然对流散热方法是指不使用任何外部辅助能量的情况下，实现局部发热器件向周围环境散热达到温度控制的目的，这其中通常都包含了导热、对流和辐射三种主要传热方式，其中对流以自然对流方式为主。自然散热或冷却往往适用对温度控制要求不高、器件发热的热流密度不大的低功耗器件和部件，以及密封或密集组装的器件不宜(或不需要)采用其它冷却技术的情况下。有时，在对散热能力要求不高时也常常利用电子器件自身特点增强与邻近热沉的导热或辐射、通过结构设计强化自然对流，在一定程度上提高系统向环境散热能力。2.2.2强制对流散热方法强制对流散热方法主要是借助于风扇等强迫器件周边空气流动，从而将器件散发出的热量带走的一种方法。这种方法是一种操作简便、收效明显的散热方法。如果部件内元器件之间的空间适合空气流动或适于安装局部散热器，就可尽量使用这种冷却方法。提高这种强迫对流传热能力的方法主要有:增大散热面积(散热片)和在散热表面产生比较大的强迫对流传热系数(紊流器、喷射冲击、静电作用)。增大散热器表面的散热面积来增强电子元器件的散热，在实际工程中得到了非常广泛的应用。工程中主要是采用肋片(又称翅片)来扩展散热器表面的散热面积以达到强化传热的目的。肋片式散热器又称气冷式冷板，如:型材、叉指、针状等各种型式，长期、广泛地作为热耗电子器件的延伸表面与所处环境(主要是空气)的换热器件。如，普通台式电脑芯片上肋片散热器和风扇等。2.2.3液体冷却方法对电子元器件采用液体冷却的方法进行散热，主要是针对芯片或芯片组件提出的概念。液体冷却包括直接冷却和间接冷却。间接液体冷却法就是液体冷却剂不与电子元件直接接触，而热量经中间媒介或系统从发热元件传递给液体。直接液体冷却法(又称浸入冷却)是指液体与电子元件直接接触，由冷却剂吸热并将热量带走，它适用于热耗体积密度很高或那些必须在高温环境下工作且器件与被冷却表面之间的温度梯度又很小的部件以及高度封装或大功率电子器件的2-D或3-D封装。液体冷却的特点是:使用电介质冷却液作为工作介质；通过控制液滴直径和频率来控制冷却功率；内部可以集成控制的软件，可以被用来冷却芯片。2.3散热方法的选择散热方法是根据质量因素热耗体积密度、热阻来选择的。在散热方法选择的权衡中应该考虑的典型因素有:热阻、重量、维护要求或维修性、可靠性、费用、制造容差、后勤状况、热效能、效率或有效系数、耐环境及严酷度、对人体的危害程度、尺寸、复杂性、功耗及对设备电性能的影响[5]。需要指出的是：一个散热方案不限于一种散热方式，大多数方案都是根据具体情况，包含几种散热方式，相互配合使用。常用的散热器类型按照散热器肋片种类的不同，基本上可分为两种：等截面肋和变截面肋。从外形上看，散热器可分为两种类型，一种是平板型散热器（即散热板），结构简单，容易自制，但散热效果较差，且所占面积较大；另一类是经加工成型、构成系列化产品的散热器，如型材散热器、叉指型散热器、扇顶型散热器和塑封器件专用散热器等。此类散热器的散热效果好，易于安装，适合进行大批量生产，但成本较高。对于不同类型的散热器，使用时应查阅有关散热器手册确定其相应的热阻值。下列图中列出了几种常见的散热器模型。图2.1横剖压延散热器图2.2折叠肋片式散热器图2.3有源散热器图2.4型材散热器如图所示，图2.1横剖压延散热器一般适用于气流不是来自于一个方向，能在多个方向均匀散热；图2.2折叠肋片式散热器，适用于增加散热表面积，能够更有效散热；图2.3有源散热器可用于局部冷却，一般电脑CPU的风扇就是此种散热器，能够对机箱中的CPU有效散热；图2.4中型材散热器能用于大面积的散热，当器件较大时增加表面积使器件有效散热，比较适用于大功率LED阵列的散热。2.5影响散热器散热效果的因素在不同工作状态和几何条件下，散热器的散热效果不同，例如，所选散热器在高温环境下可能达不到功率器件的散热要求，导致器件不能可靠工作，甚至损坏器件。影响散热器散热效果的因素较多，现主要介绍几何形状、界面热阻、功耗以及环境温度对LED散热性能的影响。2.5.1几何因素的影响散热器的有效面积与散热器几何参数密切相关。一般散热器由肋片和基座构成，主要的几何参数包括肋片长、肋片厚，肋片数、基座厚、基座宽等[6]（1）散热器肋片长度的影响肋片长度适当增加能减小器件结温，但是过分增加肋片长度不能确保热量传导至散热器肋片的末端，因此使传热受到影响，不能大大降低结温，反而使散热器重量增加太多。一般认为散热器的肋片长度和基座宽度之比接近1传热较好。（2）散热器肋片厚度的影响由于导热主要沿着肋片的纵向方向，因而肋片的厚度对散热器热性能没有太大的影响，肋片厚度的增加并没有使热源结温降低很多，反而增加了散热器的重量。同时改变散热器肋片厚度也大大增加了加工难度。因此，一般散热器进行工程优化，并不选定散热器的肋片厚度为优化目标。（3）散热器肋片高度的影响肋片高度对散热器热性能有很大影响，一般随着肋片高度的增加，器件的热量更易通过肋片散至周围空间。但是如果肋片高度过高，散热器体积增加太多，不符合航空航天设备体积小，重量轻的要求，因此散热器肋片高度不宜过高。一般肋片的高度加倍，则散热能力为原来1.4倍。（4）散热器肋片个数的影响一般随着肋片数目的增多器件结温会有所降低，但是超过某一数值后随着肋片的增多器件结温没有明显变化，而散热器重量明显增加。同时肋片数目增加有时还要考虑器件安装的问题，有的器件安装在散热器两肋片之间，如果肋片数太多，器件不易安装在散热器上。因而不能盲目增加肋片的数目，综合考虑。（5）散热器材料的影响一般散热器的材料不同会引起散热器导热系数变化，散热器材料选取铜或者铝对于散热器性能并没有太大影响，这表明限制散热器热阻的一般是固体－流体表面的热阻。如果散热器表面未进行氧化处理，对于散热器热阻和性能有较大变化。所以散热器一般都要进行煮黑氧化处理，降低散热器热阻，减小热源结温，使得器件更安全可靠工作。2.5.2界面热阻的影响功率器件加了散热器之后系统总热阻包括功率器件内热阻、界面热阻以及散热器热阻。通过散热器优化设计可以降低散热器热阻。界面热阻包括接触热阻和绝缘衬垫热阻。接触热阻的影响因素较为复杂，没有具体的公式，只有根据试验或参考实测数据来选择。减小接触热阻，可以采取的措施有：加大接触面之间的压力；提高接触面的加工精度；接触表面之间加导热衬垫，一般而言在接触面涂覆硅脂可使接触热阻降低（20-50）%。在功率混合集成电路与散热器要绝缘的情况下，则要考虑绝缘衬垫热阻它取决于绝缘片的类型和厚度，见式（2.1）。Rck＝（2.1）式中Rkc：绝缘衬垫热阻（oC/W）；S：有效接触面积（cm2）；：绝缘片厚度（mm）；K：绝缘片的热导率。2.5.3功耗的影响器件的功耗越大，发热量也越多，功耗太大导致散热器温升超过允许范围，无法满足散热要求。本例中选取型材散热器SRX－YDE，热源功耗不同时分析结果见表（2.1）。表2.1热源功耗不同时的结温值热源功耗（W）热源结温（℃）1.7（未加散热器）51.03.25（型材SRX－YDE）66.597.91（型材SRX－YDE）109.55对比以上数据，对于器件功耗为1.7W，未加散热器时，热源结温Tj<Tjm（允许结温），即不用散热器器件也能正常工作；当器件功耗为7.91W，安装同样的散热器时，热源结温Tj>Tjm（允许结温），则选用的型材散热器不适合，需要重新选择合适的散热器。2.5.4环境温度的影响随着环境温度的增加，散热器的热负荷增加，器件结温也升高。如果散热器热负荷超过允许范围，则达不到应有的散热效果导致器件损坏。表2.2说明了不同环境温度下功率器件加散热器的结温变化情况。表2.2不同环境温度下有散热器热源的结温变化环境温度（℃）热源结温（℃）30.866.596094.7280113.91从表中可看出，环境温度对器件结温的影响很大，因此在不同的环境温度，要经过试验，合理选择相应散热器才能使功率器件更有效散热。在实际工程中考虑到热设计的余度问题，功率器件选取散热器以及散热器优化时，应首先考虑在功率器件可以正常工作的最高温度环境下，对功率器件进行热设计和散热器的优化设计，这样可以保证功率器件在其工作温度范围内长期可靠地正常工作，也节省了时间和成本。

3LED的封装热特性3.1引言为提高大功率LED的封装散热性能，国内外电子器件的设计和制造者分别在结构和材料等方面对电子器件的散热系统进行优化设计。在封装结构上，采用大面积芯片倒装结构、金属线路板结构，导热槽结构、微流阵列结构等；在材料的选取方面，选择合适的基板材料和粘贴材料，用硅树脂代替环氧树脂。3.2热效应对大功率LED的影响对于单个LED而言，如果热量集中在尺寸很小的芯片内血不能有效散出，会导致芯片温度升高，引起热应力的非均匀分布、芯片发光效率和荧光粉激射效率下降。研究表明：当温度超过一定值，器件的失效率将呈指数规律攀升，元件温度每上升2oC，可靠性下降10%[7]。为了保证器件的寿命，一般要求PN结结温在110oC以下。随着PN结的温升，白光LED器件的发光波长将发生红移。统计资料表明：在100oC的温度下，波长可以红移4-9nm，从而导致荧光粉吸收率下降，总的发光强度会减少，白光色度变差。在室温附近，温度每升高1oC,LED的发光强度会相应地减少1%左右。当多个LED密集排列组成白光照明系统时，热量的耗散问题更严重。因此解决散热问题己成为功率型LED应用的先决条件。3.3常用的LED封装结构3.3.1硅基倒装芯片结构传统的LED采用正装结构，上面通常涂敷一层环氧树脂，下面采用蓝宝石作为衬底。由于环氧树脂的导热能力很差，蓝宝石又是热的不良导体，热量只能靠芯片下面的引脚散出。因此前后两方面都造成散热的难题，影响了器件的性能和可靠性。2001年，LumiLeds公司研制出了功率型倒装芯片结构[8]（见图3.1），LED芯片通过凸点倒装连接到硅基上。图3.1芯片的正装结构和倒装结构对比这样的封装结构能够使热量不必经由芯片的蓝宝石衬底，而是直接传到热导率更高的硅或陶瓷衬底，再传到金属底座，由于其有源发热区更接近于散热体，可降低内部热沉热阻。3.3.2基于金属线路板结构金属线路板结构利用铝等金属具有极佳的热传导性质，将芯片封装到覆有几毫米厚的铜电极的PCB板上，或者将芯片封装在金属夹芯的PCB板上，然后再封装到散热片上来解决散热问题。美国UOE公司Norlux系列LED[9]，将已封装的产品组装在带有铝夹层的金属芯PCB板上，其中PCB板作LED器件电极连接布线之用，铝芯夹层作为热沉散热，（见图3.2）。采用该结构可以获得良好的散热特性，并大大提高了LED的输入功率。图3.2金属线路板结构3.3.3微泵浦结构在封闭系统中，水在微泵浦的作用下进入LED的底板小槽吸热，然后又回到小的水容器中，通过风扇吸热。这种微泵浦结构(见图3.3)可以很有效的降低外部热阻。微泵结构的制冷性较好，但结构稍显复杂。图3.3微泵浦结构3.4LED的封装材料LED的封装结构确定后。可以通过选取不同的材料进一步降低系统的热阻，提高系统的导热性能。目前国内外常对基板材料、粘贴材料和封装材料进行研究。3.4.1基板材料对于大功率的LED而言，为了解决芯片材料与散热材料之间因热膨胀失配造成电极引线断裂的问题，可以选用陶瓷、Cu/Mo板和Cu/W板等合金作为散热材料，但这些合金生产成本过高，不利于大规模。选用导热性能好的铝板、铜板作为散热基板材料是当前研究的重点之一。3.4.2粘贴材料选用合适的芯片衬底粘贴材料，并在批量生产工艺中保证粘贴厚度尽量小，对保证器件的热导特性是十分重要的。通常选用导热胶、导电型银浆和锡浆这三种材料进行粘贴。导热胶导热特性较差，导电型银浆既有良好的导热特性，又有较好的粘贴强度。但由于银浆在提升高度的同时会发热，且含铅等有毒金属，因此并不是粘贴材料的最佳选择。与前两者相比，导电型锡浆的导热特性是二种材料中最优的，导电性能一也非常优越[10]。。3.4.3环氧树脂环氧树脂作为LED器件的封装材料，具有优良的电绝缘性能、密着性和介电性能，但环氧树脂具有吸湿性，易老化，耐热性差，高温和短波光照下易变色，而且在固化前有一定的毒性，会对LED器件寿命造成影响[11]。目前许多LED封装企业改用硅树脂和陶瓷代替环氧树脂作为封装材料，以提高LED的寿命。3.5提高大功率器件散热性能的措施：随着功率型LED亮度的提升，驱动电流日益增大，解决散热问题已成为大功率LED产业化的先决条件。根据上述LED器件的散热环节，可以从以下四个方面进行研究来提高大功率LED的散热性能：1)LED产生热量的多少取决于内量子效应。在GaN或GaP的生长过程中，应改进材料结构，优化生长参数，以获得高质量的外延片，从而提高器件内量子效率，从根本上减少热量的产生，加快芯片结到外延层的热传导；2)选择以铝基为主的金属芯印刷电路板MCPCB、陶瓷、DBC、复合金属基板等导热性能好的衬底，以加快热量从外延层向散热基板散发。通过优化MCPCB板的热设计、或将陶瓷直接绑定在金属基板上形成金属基低温烧结陶瓷(LTCC-M)基板，可获得热导性能好、热膨胀系数小的衬底；3)为了使衬底上的热量更迅速地扩散到周围环境，目前通常选用铝、铜等导热性能好的金属材料作为散热器。根据能量守恒定律，利用压电陶瓷作为散热器，把热量转化成振动方式直接消耗热能将成为未来研究的重点之一；4)对功率型LED器件而言，其总热阻是PN结到外界环境热路上几个热沉的热阻之和，其中包括LED本身的内部热沉热阻、内部热沉到PCB板之间的导热胶的热阻、PCB板与外部热沉之间的导热胶的热阻、外部热沉的热阻等，传热回路中的每一个热沉都会对传热造成一定的阻碍。所以减少内部热沉数量，并采用薄膜工艺将必不可少的接口电极热沉、绝缘层直接制作在金属散热器上，能够大幅度降低总热阻，这种技术很有可能成为今后大功率LED散热封装的主流方向。

4热阻网络模型的建立与分析4.1引言功率型LED的热阻直接关系到LED的结温，进而影响LED的工作温度、出光效率、发射波长、器件使用寿命、可靠性等。但是直接测量结温是很困难的，而通过建立等效热阻网络模型可以得到LED的结温与壳温之间的关系，通过壳温的测量就可以通过计算得到LED的结温了。因此对功率型LED阵列的热阻建立等效热阻网络模型具有重要的理论和实际意义。4.2热阻的概念热阻的一般定义为：在热平衡条件下，导热介质在两个规定点处的温度差（即热源、周围环境之间的温差）与产生这两点温度差的耗散功率之比（见式4.1），单位是或K/W。（4.1）式中表示热阻，表示LED芯片的结温，表示LED的壳温，表示耗散功率。定义假设了器件耗散功率全部产生了热流，并且流经热阻，其耗散功率是直流功率或交流电在一周期内的平均功率，器件热阻的大小表征了器件负载能力的强弱。4.3建立热阻网络与质量、动量和电量的传递一样，热流量的传递也是一种常见的传输过程。它们之间有共同点。根据傅立叶的热传导定律指出：通过物体单位面积的热流量正比于当地垂直于等温线方向上的温度梯度。即式Q=，经过分离变量，积分后得公式4.2：Q===（4.2）其中：称为热阻，δ为热导体的材料厚度。公式表明：通过物体的热流量与流过固定电阻器的电流十分相似。由欧姆定律：，现作如下类比：电流I—热流Q；电压V—温差；电阻—热阻，这就是热电模拟法的基本原理，给分析问题带来方便。热设计中大多采用热电模拟法进行热阻网络的热阻计算，这种方法有利于电气工程师用熟悉的电路网络表示方法来处理热设计问题，也有利于计算机进行辅助分析及仿真计算。热电模拟法就是将热流量（功耗）模拟为电流；温差模拟为电压（或电位差）；热阻模拟为电阻，热导模拟为电导。这种模拟方法适用于各种传热形式，尤其是导热，可把热容模拟为电容。同时分析电路的数学方法均适用于这种模拟电阻网络，这些方法涉及的范围包括从简单的基尔霍夫定律计算，一维传输线及多维场论、积分变化及线性图形法以及差分方程等。利用热电模拟的概念，可以解决稳态和瞬态条件下的传热。温度（温差）是引起热流量传递的“电位”，恒温热源等效于理想的恒压源。稳态下，电子设备的功耗是恒定的，则恒定的热流源等效于理想的电流源。导热、对流和辐射换热的区域可用热阻来处理，如同电阻定义为两点间电压与电流之比，热阻定义为两点间温差与热流之比。热沉等效于“接地”或“地线”，所有的热源和热回路均与其相连接，形成热电模拟网络。功率器件装上散热器后，其散热途径将会有所变化。器件内热阻RTj保持不变，器件的热量一方面通过外壳直接向周围传递，外热阻为RTp；另一方面器件将热量传给散热器，它们之间的热阻为接触热阻RTc，然后再由散热器把热量发散到周围空间，其热阻为散热器热阻RTf，热阻网络如图4.1所示。通常外壳直接散到周围环境的热量远比经散热器散到周围空间的热量少，则外壳到周围环境的散热可忽略不计，而认为热量都经散热器散到周围环境空间，即有RTp》（RTc+RTf），则图4.1可简化为图4.2。图4.1安装散热器的热阻网络图图4.2热阻网络简化图4.4热阻网络模型分析根据热电模拟法，将功耗模拟为电流，温差模拟为电压，热阻模拟为电阻可以计算出热阻网络中各个热阻值。RT＝RTj+RTc+RTf＝（4.3）式中RTj＝（4.4）RT＝（4.5）RTf＝（4.6）其中Tj：功率器件结温（oC）；Tc：功率器件的壳温（oC）；Tf：散热器最高温度点的温度（oC）；Ta：环境温度（oC）；RT：系统总热阻（oC/W）；PD：功率器件耗散功率（W）。由公式（4.3）可知，要提高功率器件经过散热器耗散的热量，应尽量降低各个热阻值。而功率器件内热阻RTj由功率器件的工艺决定的，其值固定不变的，因而应主要考虑如何采取有效措施减小功率器件与散热器之间的接触热阻和散热器热阻。接触热阻RTc是器件与散热器之间的接触应力产生的接触热阻，影响因素较多。散热器的热阻RTf是选择散热器的主要依据。

5某照明用大功率LED阵列的散热设计5.1LED阵列简介LED照明阵列的结构如图5.1所示，其中9只1W的白光LED和9只用于情景照明的RGB芯片间隔贴装在长方形的铝制线路板上。LED芯片用高导热银胶贴装在内部热沉（黄铜）上，芯片电极通过金线与引线框架连接，芯片外部用硅橡胶或者其他热稳定性、绝缘性，以及光学透明的树脂材料封装，热沉四周用塑料材料封装；最后整个LED器件用高导热银胶贴装在金属基线路板上，材料的具体参数见下表5.1。图5.1大功率LED照明阵列结构简图LED采用蓝宝石衬底的GaN蓝光芯片激发黄色荧光粉，从而产生白光；RGB总功率为1W，内部封装了红、绿、蓝三色芯片，可控制单独发光实现情景照明，全部发光则组合成白光。在模块中电流通路与热流通道各自独立，有利于进一步散热设计与实现，使用方便。发光芯片的光转化效率约为30～32％，芯片结温极限为125°C，工作温度极限为-40°C～+85°C，LED热阻约8°C/W。表5.1LED阵列中各材料的热参数材料蓝宝石GaN铝导热系数/35130178材料银胶黄铜导热系数/3.8389光转化效率30%5.2LED阵列散热器的设计为了使LED照明阵列有更好的散热效果，在LED照明阵列得背板加装铝制肋片散热器（见图5.2），金属线路板和散热器底座用高导热银胶粘结。这种散热器结构成本低廉、结构简单、便于制成模具大规模生产；并且铝有极高的导热率，具备良好的散热效果。5.2.1散热器结构的确定从外形上看，散热器可分为两种类型，一种是平板型散热器，它结构简单，容易自制，但散热效果较差，且所占面积较大；另一种是经加工成型、构成系列化产品的散热器，如型材散热器、叉指型散热器、扇顶型散热器和塑封器件专用散热器等，此类散热器的散热效果好，易于安装，适合进行大批量生产，但成本较高。本论文选择型材铝制肋片式散热器，它适用于大面积器件的散热，肋片式散热器结构简单易于制造，比较适用于大功率LED阵列的散热。5.2.2几何参数的选取1）散热器长度。肋片长度适当增加能减小器件结温，但是过分增加肋片长度不能确保热量传导至散热器肋片的末端，因此使传热受到影响，不能大大降低结温，反而使散热器重量增加太多。一般认为散热器的肋片长度和基座宽度之比接近1传热较好，同时为便于加工，选择散热器长为60cm。2）散热器肋片高度。随着肋片高度的增加，器件的热量更易通过肋片散至周围空间，但是如果肋片高度过高，会增加散热器的体积和重量。选择在基座上方肋片高为7.5mm基座下方肋片高为15mm。3）散热器肋片的个数。一般随着肋片数目的增多器件结温会有所降低，但是超过某一数值后随着肋片的增多器件结温没有明显变化，而散热器重量明显增加。同时肋片数目增加有时还要考虑器件安装的问题，有的器件安装在散热器两肋片之间，如果肋片数太多，器件不易安装在散热器上。一般选择肋片的个数为8片左右，本文选择肋片数为9片（见表5.2）。5.2.3散热器的材料散热器一般都要进行煮黑氧化处理，降低散热器热阻，减小热源结温，使得器件更安全可靠工作。散热器材料选取铜或者铝对于散热器性能并没有太大影响，本文选择的是价格较低的纯铝材料。表5.2散热器参数表肋片位置肋片个数肋片厚度肋片高度肋片间距基座厚度基座上方91.1mm7.5mm4.3mm1.1mm基座下方21.1mm15mm34.5mm—图5.2散热器剖面图5.3LED照明阵列热阻网络模型由于对流换热和辐射换热起的作用较小，忽略对流换热和辐射换热的影响，只考虑主要热通道的热传导。硅橡胶/环氧树脂、荧光粉和塑料外壳封装的热导率极低，只考虑热量从芯片到芯片热沉底部的热传导的路径，得到LED照明阵列的简化等效热阻网络。如图5.3，可以把LED照明系统总热阻进一步分解为从芯片PN结到外界环境的传热通道上两个层次：器件内部热阻和外部热阻。图中表示LED芯片的结温，表示LED的壳温，表示环境温度。图5.3简化热阻模型5.4LED结温的计算由半导体器件的热阻计算公式（见4.4节）：RTj＝（5.1）得到（5.2）式中：—芯片结温；—LED芯片的内热阻—器件外壳温度；—耗散热功率。单层材料的一维传导热阻公式（5.3）式中：d—厚度；K—导热系数；A—传导面积。由公式（5.1）可知，由此可以得到结温与壳温之间的关系，由于芯片的结温不宜测量，所以我们准备采用软件仿真与试验相结合的办法解决结温测量的问题。

6LED照明阵列的仿真分析6.1引言本论文使用的是ICEPAK软件对整个LED系统进行建模和仿真，ICEPAK是一款强大系统的热分析工具，可以解决元件级、板级和系统级的热问题。使设计人员可以快速建立电子设备模型、分析热传输和模拟流场分布。6.2ICEPAK软件概述6.2.1理论基础ICEPAK的理论基础主要是传热学和流体力学（包括质量、动量和能量守恒三大定律）。进行热分析时，首先根据守恒定律建立微积分方程，对其求解，从而得到温度场的分布情况。[12]热分析方法根据对微积分方程求解的不同，电子设备的热分析方法主要分为两类：解析法和数值法。目前一般采用数值法。数值法主要分有限元法、有限差分法和有限体积法三种。ICEPAK采用的是有限体积法，有限体积法是一种新型的积分方程的离散方法，目前已成为求解温度分布的主要方法。6.2.2Icepak技术特点Icepak主要的技术特点如下： 1）建模快速：带有部分模型库，且通过鼠标即可对模型进行选取、定位以及改变视角等2）先进的网格技术：根据用户需要，能自动生成各种网格，包括结构化网格、非结构化网格和非连续化网格等，支持四面体、五面体、六面体、柱体和混合网格，且能进行局部加密3）广泛的模型能力：能对各种模型进行求解分析，包括自然对流、强迫对流和混合对流模型；热传导模型、流体与固体耦合传热模型、物体表面间的热辐射模型；层流、湍流、稳态及瞬态问题；多种流体介质问题。4）强大的解算功能：采用的求解器是Fluent，它应用的是有限体积法，支持并行算法，能快速的对结构化、非结构化等网格进行求解。5）强大的可视化后处理：可以根据用户的需要，生成各种图形（包括表面分布图、等值面图、网格图、粒子轨迹图、切面云图等）、报告（摘要报告、详细报告、目标点报告等）和动画（以Avi，Mpeg，Gif等形式保存）来展现热分析结果。6.2.3应用范围ICEPACK在工程领域有着广泛的应用：如机柜流场分析、通讯设备、芯片级板级封装分析、系统级热分析、散热器分析、数值风道测试、热管建模分析等领域都有很好的表现。6.3模型的建立6.3.1概述在ICEPAK软件中建立LED灯具的模型，主要由热源、金属线路板、高导热银胶和散热器组成。模型中把每只功率LED考虑成一个热源，共有18个发光芯片，每个芯片的耗散功率为1W，该灯具长60mm、宽3.4mm、高2.4mm，灯具的外壳和散热翅片应用的是纯铝材料，线路板采用的是铝基金属线路板。对流模式为空气自然对流，一般空气的自然对流系数为5~10，取平均值7.5。考虑到模块可能会在各种环境工作，周围环境温度设定为较为恶劣的温度40℃。为了简化模型，不考虑封装过程各层之间的接触热阻。建模过程中，Xs、yS、zS表示各元件的起始点坐标，xE、yE、zE表示个元件的终止点坐标。6.3.2线路板的建模线路板和LED外壳的两侧和底部均选用block进行模拟，block1用来模拟pcb板，其类型选用Network，它是通过block来建立IC封装的网络热阻模型，数据见下表6.2，具体操作见下图6.1：表6.2线路板几何参数NamexSySzSxEyEzESolidmaterialTotalpowerblock-ps10000.60.0240.034Al-Extruded0图6.1线路板建模操作界面block2和block3用来模拟LED外壳的两个侧壁，其类型选用solid，它表示的是具有厚度的导热板，可以选择材料来设定它的面内和法向导热率见下表6.3，具体操作见图6.2：表6.3壁板参数NamexSySzSxEyEzEBlocktypeSolidmaterialTotalpowerBlock200.0800.60.010.034solidAl-Extruded0Block300.0100.60.0240.002solidAl-Extruded0Block400.010.0320.60.0240.034solidAl-Extruded0图6.2散热器侧壁建模操作界面6.3.3散热翅片建模选用blate来模拟散热器的散热翅片，总共有9个翅片，类型选用conductingthick，它是具有厚度的导热板，可以选择材料来设定它的面内和法向导热率，材料参数见下表6.4，具体操作界面见下图6.3。表6.4翅片材料参数NamexSySzSxEyEzESpecificationPlate10000..60.008/Thickness:0.002mSolidmaterial:Al-DuraluminTotalpower:0WPlate2000.0040.60.008/Plate3000.0080.60.008/Plate4000.0120.60.008/Plate5000.0160.60.008/Plate6000.020.60.008/Plate7000.0240.60.008/Plate8000.0280.60.008/Plate9000.0320.60.008/图6.3翅片建模操作界面6.3.4LED芯片的建模芯片用source来模拟pcb板上的热源，表示来自于芯片供应块发出的热量，芯片的功率都定为1W。具体材料参数见下表6.5，具体操作界面见下图6.4：表6.5热源的参数NamexSySzSxEyEzESpecificationsource.10.0180.0120.01250.027/0.0205shape:RectangularPlane:X-ZTotalheat:1WMaterial：Ceramic-surfacesource.20.0510.0120.01250.06/0.0205source.30.0840.0120.01250.093/0.0205source.40.1170.0120.01250.126/0.0205source.50.150.0120.01250.159/0.0205source.60.1830.0120.01250.192/0.0205source.70.2160.0120.01250.225/0.0205source.80.2490.0120.01250.258/0.0205source.90.2820.0120.01250.291/0.0205source.100.3150.0120.01250.324/0.0205source.110.3480.0120.01250.357/0.0205Source.120.3810.0120.01250.39/0.0205source.130.4140.0120.01250.423/0.0205source.140.4470.0120.01250.456/0.0205source.150.480.0120.01250.489/0.0205source.160.5130.0120.01250.522/0.0205source.170.5460.0120.01250.555/0.0205source.180.5790.0120.01250.588/0.0205图6.4LED芯片建模操作界面6.3.5LED外壳两端及上表面建模LED外壳两端及上表面的模拟用Opening来实现，Opening可以理解为一个平面开口，可以有各种形状，这个开口也可以输入其边界参数，参数包括静压、温度、X方向流速、Y方向流速、Z方向流速。如果整个平面的温度是一个数值，则输入温度即可，如果平面温度分布不是常数，则选中Porfile可以编辑平面上各区域的温度分布，其它参数也是类似。这里我们选用的是默认状态就可以。具体材料数据见下表6.6，操作界面见下图6.5：表6.6孔的结构参数NamexSySzSxEyEzESpecificationOpening100.080/0.0240.034Plane:Y-ZTotalpower:0WOpening20.60.080/0.0240.034Opening300.0240.0020.6/0.034Plane:X-ZTotalpower:0W图6.5灯具开口的建模操作界面把上面各个单个的器件综合在一起，最终可得LED灯具的模型图（见图6.6）图6.6LED模块6.4网格的划分与求解分析6.4.1网格划分对已建完的模型进行网络划分，首先进行粗划分，网格类型选用Hexaunstructured表示结构化和非结构化的混合网格，检查网格的质量然后进行局部加密，取x方向长度的1/100即0.03m，取Y方向0.002m，取Z方向取0.003m，首先在Globalsettings中选中coarse对模型的网格进行粗划分，选中Disdlav和Qualitv对网格的质量进行检查，可知在芯片上的网格数过少，此时可以在Meshcontrol中选中Objectparams对网格进行进一步的划分，同时在Globalsettings中选择Normal可得到局部加密后的网络图（见图6.7）图6.7LED阵列网格划分局部视图6.4.2求解网格划分完成后，需对模型进行求解分析，迭代次数取默认值100，不考虑热辐射。（见下图6.8）求解速度曲线如下：图6.8求解曲线6.4.3温度显示利用ICEPAK对模型进行求解后，对线路板、芯片以及背板的温度进行检查，获得金属线路板、背板和LED芯片的稳态温度云图。1）显示线路板温度云图（见图6.9）图6.9LED阵列线路板温度分布图2）LED芯片温度场分布图（见图6.10）图6.10LED芯片的温度场分布图3）背板的温度场分布图（见图6.11）图6.11背板的温度场分布6.4.4LED结温的计算由LED阵列的线路板、背板和LED芯片的温度场分布（图6.9和图6.10）。可以看出，温度最高的区域集中在模块的中部，两端相对较低，从热源温度图得到最高芯片的壳温是80.4℃由5.4节建立的等效热阻网络模型及计算公式，可得：RTj＝（6.1）得到（6.2）式中：—芯片结温；—器件外壳温度；—耗散热功率。—LED芯片的内热阻单层材料的一维传导热阻公式为：（6.3）式中：d—厚度；K—导热系数；A—传导面积。由公式（6.3）代入内部热沉和粘结层的尺寸参数和热参数计算由=8代入公式（6.2）得到

7试验验证7.1引言在第六章我们利用ICEPAK对大功率LED照明阵列进行了软件仿真，经计算得到了LED的最高壳温为80.4，为了验证仿真结果的正确性，对大功率LED照明灯具进行热试验。7.2试验条件确定把大功率LED灯具，放入温度试验箱，由于所设计的大功率LED照明灯具工作环境极限温度为-40°C～+85°C，通常室温的温度为27°C，试验中我们将试验箱的温度设定为比较严酷的40°C，连续工作1000小时，采用接触式热测量系统，测量芯片底部和线路板上的7.3试验过程将LED灯具放入恒定温度试验箱，空气设定为自然对流，温度调至40°C，时间设定为1000h，见下图7.1（a）和7.1（b）：图7.1（a）LED灯具热试验装置图7.1（b）LED灯具热试验装置表7.1为热试验的试验结果：表7.1传感器数据线号123456温度67.356.55762.862.970.2（1号传感器测量LED散热器背板中间位置温度，2号传感器测量背板左端点位置温度，3号传感器测量背板右端点位置温度，4号传感器测量LED线路板左端点位置温度，5号传感器测量LED线路板右端点位置温度，6号传感器测量LED线路板中间位置温度）7.4试验结果分析表7.2将试验结果与仿真结果进行对比：表7.2LED阵列试验与简化模型建模的热分析结果对比传感器位置实测温度（℃）分析温度(℃)误差（%）1背板中间67.374.610.82背板左端56.558.33.23背板右端5758.42.54线路板左端62.856.510.035线路板右端62.957.29.066线路板中间70.279.613.4平均误差8.16式中，通过建模仿真分析得到LED的最高壳温为80.4oC，计算得到LED的结温为86oC，小于LED照明灯具结温的最高允许温度125oC，LED热实验的获得的最高壳温为70.2oC，与仿真分析获得壳温的平均误差为8.16%，说明仿真方法结果是正确的。

结论本论文在研究了有关LED封装的热特性后，为某LED照明阵列设计了铝制肋片式散热器。通过对LED照明阵列建立等效热阻网络模型，获得LED结温与壳温之间的关系，再利用ICEPAK软件对LED照明灯具进行仿真分析，获得LED的壳温，经计算得出了LED的结温。为验证仿真结果的正确性，将LED照明灯具放入温度试验箱，温度恒为40oC，最后将试验数据与仿真结果进行对比分析。通过ICEPAK软件仿真分析，获得LED器件金属线路板、LED的芯片以及背板的温度场的分布图，可以得出LED的最高壳温为80.4oC，经计算LED的最高结温为86oC低于灯具的设计最高允许温度125oC。为验证仿真结果的正确性，将LED照明灯具放入温度试验箱，通常情况下室温是27oC，试验中温度设定为比较严酷的40oC，实时监控LED照明阵列金属线路板和背板的温度，试验得到LED的最高壳温为79.6oC。试验数据与仿真结果对比分析，表明利用ICEPAK软件对LED照明阵列进行的仿真分析是正确的，本论文为该LED照明阵列设计的散热器可以满足灯具散热的要求。对大功率LED照明灯具，背板加装铝制肋片式散热器可以满足散热的需要。致谢在本论文即将完成的时候，我首先要深深感谢导师高成老师，衷心感谢高老师在课题的选定、进展、论文的撰写修改上，倾注了无微不至的关心和指导。在论文的研究过程中，还要特别感谢付桂翠老师为论文把握整个大方向，提出了很多宝贵的建议，付老师学识渊博，为人和蔼，治学严谨，经验丰富。从高老师和付老师身上我学会了很多做学问、做人的道理，这将使我受益一生。论文的研究过程中，得到了师兄刘雁潮的悉心指导和帮助，以及436试验室、341401班的同学们的热心帮助，在此向他们表示衷心的感谢！

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17160544项目选址和建设条件 1950564.1选址原则 1969314.2项目选址 19544.3场址所在位置现状 19297334.4建设条件 20123545主要功能和建设规模 22282555.1主要功能 22281835.2建设规模及内容 26195696工程建设方案 27137726.1设计依据 27219396.2物流空间布局的要求 27262516.3空间布局原则 2853886.4总体布局 2936766.5工程建设方案 30235856.6给水工程 33115596.7排水工程 3553126.8电力工程 38288986.9供热工程 46314656.10电讯工程 P