功率型LED的热测试和热仿真

摘要

随着发光二极管(LED)芯片发光效率的提高以及功率型LED芯片的制备成功，使得LED半导体固体照明成为现实。由于功率型LED与传统光源相比的突出性能以及其未来的巨大市场前景，各个国家、地区争相投资研发LED照明光源。但是功率型LED同时也存在发光效率低和发热量高的发展瓶颈。本文主要围绕功率型LED的热问题展开研究，包括单芯片和多芯片功率型LED的热测试和热仿真。具体包括以下内容： 1.阐述了LED的发展历史、发光机制以及其特点和应用，并详细说明了结温对LED性能的影响，指出对LED热问题研究的必要性。 2.介绍热传递基本原理以及LED的热学参数与热学模型，还回顾总结了LED热阻的各种测量方法。 3.从理论上详细分析了LED正向电压随温度变化的物理机理，并在大的电流范围(0.1～200mA)和温度范围(60～350K)内，对AlGaInP，InGaN材料系功率型LED正向电压随温度的变化关系进行了系统的实验研究。发现在恒定电流下，两者的关系可分为高温区和低温区两段。在高温区两者为线性反比关系，并且电压温度系数与正向电流有关：在低温区正向电压随温度减小而突然急剧增大。我们提出的理论模型很好地解释了实验结果。 4.运用电学法测量单芯片功率型LED瞬态冷却曲线，通过数学方法将其转化为积分和微分结构函数来分析LED封装器件各区域的热阻和热容。1μs的瞬态数据采集精度和高的重复性保证了实验结果的准确性和可靠性。应用这种方法比较了三种不同金属芯印刷电路板(MCPCB)对单芯片功率型LED的散热效果，得知贝格斯铝基板散热性能最好，ANT铝基板次之，普通铝基板最差。还对同封装结构的单芯片和三芯片功率型LED进行了热测试分析，实验结果与热学模型的理论预计结果相一致。并得知金属块到MCPCB间的热阻对多芯片LED的结温影响最为显著，热管理设计时应着重考虑该部分影响。 5.根据实际封装结构分别建立了单芯片和三芯片功率型LED的有限元热学模型，并通过实际样品的测试结果验证了仿真模型的准确性。并对单芯片功率型LED讨论了各层材料热导率对其散热的影响，对多芯片功率型LED讨论了不同芯片间距对其散热的影响。 关于功率型LED热特性的测试与仿真是功率型LED发展历程，特别是商品化过程中的一个重要内容。由于封装很大程度决定了LED的散热性能，本课题的研究对功率型LED封装具有重要的实用价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2 LED简介

1.2.1 LED的发展历史

1.2.2 LED的发光机制

1.2.3 LED的特点与应用

1.3结温对LED性能的影响

1.3.1结温对LED电学性能的影响

1.3.2结温对LED发光光谱的影响

1.3.3结温对LED光度学参数的影响

1.3.4结温对LED寿命的影响

1.4本文的选题依据和研究内容

第二章热传递原理与LED热学参数和热学模型

2.1热传递基本原理

2.1.1热传导原理

2.1.2热对流原理

2.1.3热辐射原理

2.2 LED的热学参数介绍

2.2.1结温

2.2.2电压温度系数

2.2.3熟阻

2.3 LED热阻的测量方法

2.4功率型LED的热学模型

2.4.1单芯片功率型LED的热学模型

2.4.2多芯片功率型LED的热学模型

第三章LED电压温度关系的研究

3.1引言

3.2 LED正向电压随温度变化的物理机理

3.3 LED电压温度关系的实验研究

3.4实验结果分析

3.5小结

第四章应用电学法和结构函数研究功率型LED的热特性

4.1引言

4.2积分和微分结构函数的理论背景

4.3应用电学法测量LED的瞬态冷却曲线

4.4测试系统

4.5实验结果分析

4.5.1单芯片功率型LED的实验结果分析

4.5.2多芯片功率型LED的实验结果分析

4.6小结

第五章功率型LED的热仿真

5.1引言

5.2功率型LED温度场的有限元法分析

5.2.1有限元法的理论基础

5.2.2热传递的数学物理模型

5.3 ANSYS热仿真的基本步骤

5.4单芯片功率型LED的热仿真

5.4.1模型准确性验证

5.4.2材料热导率对其散热性能的影响分析

5.5多芯片功率型LED的热仿真

5.6小结

第六章总结与展望

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文

致谢