大功率LED及其灯具的光热结构设计和环境可靠性分析

摘要

随着大功率LED性能不断增加，成本持续下降，大功率LED正逐渐取代传统光源，在照明领域得到了越来越广泛的应用。但是目前LED的生产制造仍然存在许多问题:首先，GaN材料只能在异质衬底上生长，Si是一种潜在的低成本和高功率器件衬底材料，但由于Si和GaN之间存在大的晶格和热失配，需要精心设计插入层和缓冲层结构才能获得高质量的GaN外延层;其次，LED的外量子效率不高，大部分光子都在芯片内部产生了全反射并最终转换成热量，而LED又对温度敏感，需要提高LED的取光效率并进行散热结构优化，同时为满足目标面照明的需求，还需要对LED进行自由曲面透镜设计进行配光;最后，LED灯具往往会面对高温高湿的恶劣使用环境，会使得灯具内部的缺陷被加速放大，可靠性下降寿命降低并导致失效。本论文从以上几个方面对LED的光热结构设计和环境可靠性进行研究，具体的工作包括:
　　(1)对GaN外延薄膜的生长方式和生长机制进行探讨，推导衬底和外延层之间因热失配导致的热应力求解公式。基于有限元方法，建立HT-AlN缓冲层和多层LT-AlN插入层作为应变缓冲层的Si衬底生长GaN薄膜结构。通过对插入层的数目进行分析，可知当插入层数目为2个时外延薄膜的热应力最小且分布较为均匀，GaN薄膜上下表面最大热应力为0.133GPa和0.110GPa。按照此模型的参数条件进行MOCVD生长，获得了1500nm厚的优质GaN外延层。进一步优化LT-AlN插入层的厚度，最佳厚度为20-27nm。若将LT-AlN换成双层阶梯渐变的AlxGa1-xN插入层，当上下层x分别取0.2和0.8时，最大热应力再一次得到优化，降为0.101GPa。
　　(2)针对小间距点光源LED阵列排布，基于边缘光线理论和光学扩展量守恒定律，提出一种LED光线空间和目标面的网格划分方式，以沿垂直LED表面法线的横向和沿法线方向的纵向两个方向迭代兼顾的方式，获得了一款可用于道路照明的自由曲面透镜。仿真结果表明，配光后的LED整体光能利用率为90.4％，能量基本被限制30m×13m的矩形区域内，水平方向和垂直方向的照度均匀度分别为83.2％和71.7％。当LED以30m间隔平行排列时，可以在路面形成宽度约为14m的光斑，垂直照度均匀度提高为77.2％。透镜具有较高的容差冗余。据此开模制造的LED路灯配光曲线为蝙蝠翼型，横向和纵向±62°和±40°范围内的平均照度分别为31.17lx和25.72lx，满足国家道路照明标准。
　　(3)分析了微透镜阵列对取光效率的影响，设计正方形、三角形、六边形、双曲型等无缝隙微透镜阵列，发现其取光效率和扩散角度均比传统微透镜阵列要高10-20％和7-45°。设计一种自由曲面透镜和微透镜阵列一体化的，前端加装光学准直器的光引擎模块，可以同时实现对不同光型LED以及点状、面状光源的配光。模拟显示，在照明目标面上可以获得均匀度92％的配光效果。
　　(4)为达到降低大功率LED路灯制造成本的同时又保证散热能力，采用正交实验法对散热器的肋片尺寸参数进行优化。利用仿真软件进行建模和散热仿真，分析了肋片深度、肋片间距、肋片厚度和肋片长度四个因素对LED结温的影响，最终得出优化结果，上述参数分别取14mm、16mm、4mm和450mm。实验测试数据表明优化后的散热器能较好的实现LED热量的导出，在密闭无风的空间内，结温温升为47.9℃。
　　(5)论述了温度传导和湿度扩散控制方程，对LED灯具内的温湿度扩散进行模拟仿真，并利用热-结构耦合场进行热应力和湿应力的计算。LED球泡灯的热扩散只需约5分钟即可达到平衡，而湿扩散则要70h。热应力远高于湿应力，是导致LED封装模块变形、开裂的主要因素，但湿扩散会降低封装材料间的粘合强度，也会导致灯具加速老化失效。
　　(6)对LED灯具进行了温度老化和湿热老化试验，分析了两种老化试验下的失效模式和失效机理。LED芯片效率下降、封装硅胶变黄、荧光粉转换效率下降以及封装材料开裂是常见的失效方式，导致灯具的输出光通量下降和色温升高。试验数据显示，LED灯具在老化时符合威布尔寿命分布模型，利用阿列里乌斯寿命模型和艾林寿命模型分别建立了单应力和双应力老化时的寿命预测模型。LED灯具在室温25℃和40℃/50％RH下的失效时间分别约为23000h和17000h。

目录

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 大功率LHD在照明领域的发展与存在问题

1．2 Si衬底上GaN外延层的制备

1．2．1 GaN基材料特性

1．2．2 GaN材料的外延生长与衬底选择

1．3 大功率LED灯具光学结构设计进展

1．3．1 微透镜阵列提高大功率LED的光提取效率

1．3．2 大功率LED灯具的二次光学配光

1．4 大功率LBD及灯具的热管理

1．4．1 LED的热特性

1．4．2 大功率LED的散热技术

1．5 大功率LED灯具的环境可靠性

1．5．1 温度对大功率LED灯具可靠性的影响

1．5．2 湿扩散对大功率LED灯具可靠性的影响

1．6 课题来源与主要研究内容

2 硅衬底GaN外廷插入层的有限元结构设计

2．1 MOCVD生长技术

2．2 GaN基材料的生长特性

2．2．1 外延生长模式

2．2．2 外延层中的应力

2．3 硅衬底GaN外延低温AlN插入层设计

2．3．1 有限元模型的建立

2．3．2 不同结构的LT-AlN插入层有限元分析

2．3．3 LT-AlN插入层厚度的优化

2．4 变组分AlxGa1-xN插入层设计

2．5 本章小结

3 LED路灯光热结构设计及优化

3．1 非成像光学与自由曲面

3．1．1 非成像光学简介

3．1．2 自由曲面的数学表示

3．2 大功率LED路灯二次光学配光设计

3．2．1 矩形光斑能量映射关系的推导

3．2．2 自由曲面构造算法

3．2．3 设计实例与分析

3．2．4 容差分析

3．3 提高LED出光效率的微透镜设计

3．3．1 微透镜阵列封装结构对LED取光效率的影响

3．3．2 无缝隙微透镜阵列分析

3．3．3 LED路灯微透镜阵列封装一体化设计

3．4 大功率LED路灯散热器优化设计

3．4．1 有限元热分析原理

3．4．2 大功率LED路灯散热器建模及参数优化

3．5 本章小结

4 LED灯具热湿环境下的可靠性分析

4．1 热湿分析理论

4．1．1 热分析理论

4．1．2 湿气分析理论

4．2 LED灯具的热湿耦合场分析

4．2．1 仿真模型

4．2．2 温度场及热应力

4．2．3 湿扩散及湿应力

4．3 LED灯具加速寿命试验理论及加速模型

4．3．1 寿命分布模型

4．3．2 加速寿命分析模型

4．4 温度老化下LED灯具的可靠性

4．4．1 温度老化试验

4．4．2 试验结果及分析

4．4．3 温度老化可靠性分析及寿命预测

4．5 热湿老化下LED灯具的可靠性

4．5．1 热湿老化实验

4．5．2 试验结果及分析

4．5．3 热湿老化可靠性分析及寿命预测

4．6 本章小结

5 结论

5．1 论文工作总结

5．2 展望

参考文献

作者简历

攻读博士期间发表的论文

专利情况

获奖