环氧复合材料粘接层对LED结温的影响

摘要

随着发光二极管(LED)发光效率的提高和大功率LED芯片的成功制造,固态照明用白光LED已经成为一种趋势。但是由于LED所处的环境温度和节点到环境的热阻对其发光效率、使用寿命具有重要影响,因此大功率LED的高效稳定散热问题成为影响其推广应用的重要障碍。
　　在大功率LED的散热问题上,本文选择了大功率LED中的某一粘接层进行研究。首先,利用有限元软件COMSOL Multiphysic对输入功率为1W、2W、3W的LED进行温度场仿真模拟,并着重分析了粘接层厚度和粘接材料的导热性能对结温的影响。在阐述导热机理和热导率影响因素之上,制备了单组份的B4C、Al2O3环氧复合材料,分析填料种类和含量对导热性能及粘接强度的影响。最后,根据模拟和实验测试的热导率、粘接性能综合考虑,得出粘接层的最佳厚度及最适合粘接的复合材料配比。研究主要内容如下:
　　①对大功率LED散热进行有限元树脂模拟研究,得到LED封装的温度场分布,改变中某一粘接层厚度和粘接材料的导热系数,查看它们对结温的影响。模拟结果显示:LED粘接层厚度和粘接材料导热系数对结点温度有很大的影响;随着粘接层的厚度的增加结温升高。粘接层材料热导率的增加使结温呈现先快速降低后缓慢降低的趋势,且热导率增加到一定时结温基本保持不变。
　　②采用掺杂微米氧化铝及碳化硼的方法对环氧树脂的导热性能和粘接性能进行改进,制备了高导热的环氧树脂复合材料。用扫描电镜对超声波处理的粉末表面进行表征,结果表明超声波处理方法能够更好的分散微粒。稳态导热测试结果显示,复合材料的导热系数λ随着填料粒子量的增加明显提高。与纯环氧树脂的导热系数为0.20W/m·K相比,微米的碳化硼和氧化铝的质量分数为50％时,复合材料的热导率分别为1.4W/m·K和0.94W/m·K,有了很大程度的提高。扫描电镜也显示导热微粒在环氧树脂能够较好的分散形成良好的导热网络,而颗粒与环氧树脂之间能够相互结合,没有明显的分离。
　　③本文还对粘接层厚度和微粒的掺杂量对粘接性能的影响进行了测试。结果表明对铝板的剪切拉伸力会随着粘接层厚度的增加先增大,后降低。粘接强度的峰值出现在氧化铝和碳化硼含量为30~40wt%之间。
　　④根据实验结果寻求大功率LED中粘接层复合材料的最佳配比及最佳厚度。