集成微热管的LED硅基板研制

摘要

全球能源短缺的忧虑再度加剧，节能减排是我们面临的重要问题。发光二级管(LED)作为一种新型半导体固态冷光源在照明领域逐步推广，并以其节能、环保的优势为大家熟知。然而，在现有研究水平下，只有15-30％的输入功率转化为光能，其余均转化为热量，造成LED芯片的结温升高，使得发光谱线漂移、光衰提早、寿命缩短。因此提高散热效率并实现结温稳定控制，是大功率LED器件设计和制造中的关键问题。
　　硅的导热系数较高且加工工艺成熟，是目前LED模组基板材料的发展趋势之一。微热管采用相变传热的原理具有很高的导热系数，因此本文中集成热管的LED硅基板模组探索了一种高效散热新方法以减小从芯片到环境的热阻，将平板槽道微热管和蒸汽腔微热管集成于硅基板上，减少了热界面。本文针对3-10W不同功率的LED模组，采用MEMS加工工艺在硅基板两面分别加工微槽道和LED电极，与具有蒸汽腔的Pyrex7740玻璃盖板或铝翅片键合形成集成微热管的LED硅基板本体结构。对微热管抽真空后灌注一定量除气后的去离子水作为工质后，采用导电银浆将1W的LED芯片固晶到LED硅基板的基座上，并采用超声引线的方法，用金线实现芯片和电极连接。对研制的硅基板分别在真空绝热环境中和大气环境中进行导热性能测试，实验表明集成微热管的LED硅基板均能实现有效散热，梯形结构平板槽道微热管导热系数较硅提高5.65倍。
　　为研究微槽道结构尺寸和表面能对平板槽道微热管性能的影响，改变硅基微槽道形状，设计了梯形和侧壁二级结构。接触角测量表明，采用两种结构微槽道比平行槽道更亲水，导热性能测试表明两种结构槽道微热管与同尺寸平行槽道微热管的当量导热系数分别提升了18.52-151.83％和7.71-9.62％。采用电铸铜柱和沉积石墨烯改性硅微槽道特性。其中，电铸铜柱提高了槽道的亲水性，电喷雾沉积的片状石墨烯使槽道疏水。导热性能测试发现铜柱改性后的平板槽道微热管以蒸汽腔方式工作，而石墨烯改性后的平板槽道微热管比同尺寸未改性微热管的稳定温度降低了4.87％。此外，电铸工艺在硅基板上加工的铜微槽道比同尺寸硅微槽道更亲水，使当量导热系数提升了约17％。以上对平板槽道微热管改性方法可以改善微槽道亲疏水性，改变毛细牵引力，使管内工质循环更有效，从而提升微热管性能。
　　综上，本文针对大功率LED器件，设计并制作了集成微热管的LED硅基板，对其槽道结构和表面特性进行了优化，结果表明研制的基板有效提高了热量传输能力，研究结果对大功率LED器件的高效热输运和结温的稳定控制具有指导和借鉴意义。

目录

声明

论文说明

摘要

1 绪论

1．1 LED散热技术

1．1．1 LED散热问题

1．1．2 LED散热研究

1．2 平板微热管散热技术及发展现状

1．2．1 平板微热管散热技术发展

1．2．2 改善微热管性能方法

1．3 蒸汽腔热管散热技术及发展现状

1．4 课题研究背景及来源

1．5 论文主要研究工作

2 集成平板槽道微热管的LED硅基板研制

2．1 集成平板槽道微热管的LED硅基板设计和掩模制作

2．1．1 LED基座与电极的设计和掩模制作

2．1．2 平板槽道微热管设计和掩模制作

2．2 平板槽道微热管管体加工工艺

2．2．1 微槽道硅基板加工

2．2．2 Pyrex7740玻璃盖片制作

2．2．3 平板槽道微热管静电键合

2．3 LED模组基座及电极加工工艺

2．4 硅-玻璃平板槽道微热管灌封

2．4．1 二次抽真空灌封技术

2．4．2 抽真空灌注冷焊封接方法

2．4．3 气相温控灌封方法

2．5 本章小结

3 LED硅基板上平板微热管槽道毛细牵引力优化

3．1 微槽道结构和尺寸优化

3．1．1 微槽道形状和尺寸优化

3．1．2 微槽道截面形状优化

3．2 铜结构微热管槽道毛细牵引力优化

3．2．1 微槽道表面电铸铜柱

3．2．2 硅基板表面电铸铜微槽道

3．3 石墨烯表面改性优化毛细牵引力

3．3．1 石墨烯纳米悬浮液制备

3．3．2 硅微槽道沉积石墨烯实验

3．3．3 硅微槽道石墨烯结合力测试

3．3．4 硅微槽道石墨烯接触角测量

3．4 本章小结

4 集成蒸汽腔微热管的LED硅基板研制

4．1 集成蒸汽腔微热管的LED硅基板的设计和掩模制作

4．1．1 硅基LED基座与电极的设计和掩模制作

4．1．2 蒸汽腔微热管设计和掩模制作

4．2 LED模组硅基板与蒸汽腔微热管的集成制造工艺

4．3 本章小结

5 集成微热管的LED硅基板的导热性能测试及结果分析

5．1 集成微热管的LED硅基板导热性能测试平台

5．1．1 集成微热管的LED硅基板测试平台组成

5．1．2 集成微热管的LED硅基板的测试原理

5．2 集成平板槽道微热管的LED硅基板测试及结果分析

5．2．1 微槽道形状和尺寸优化的平板槽道微热管测试及结果分析

5．2．2 微槽道不同表面微结构的平板槽道微热管测试及结果分析

5．2．3 微槽道石墨烯改性的平板槽道微热管

5．3 集成蒸汽腔微热管的LED硅基板测试及结果分析

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢