大功率LED散热用导热硅脂的制备与性能研究

摘要

LED(Light Emitting Diode)作为一种优秀的半导体光电器件，以其体积小、耗电量低、使用寿命长、环保等优点，有望在未来的10～20年内成为新一代理想的固态节能照明光源。随着LED向高光强、高功率发展，其散热问题日渐突出，严重影响了LED的光输出特性和器件的寿命，已成为大功率LED封装必须解决的关键问题。
　　本文针对LED的散热问题，选择研究了可应用于大功率LED的导热硅脂。在阐述硅脂的导热机理和表面活性剂作用的基础上，制备了硬脂酸表面处理的Al、AlN导热硅脂、不同填料的导热硅脂(包括石墨、SiC、Cu、Al、Al)、不同粒径的导热硅脂以及二元混合填充导热硅脂；分析了硬脂酸处理、填充比例、填料类型、粒径大小等因素对单组份硅脂以及主填充填料、增强填料对二元混合填充导热硅脂热导率的影响；并将所制备的导热硅脂用于1W、3W、5WLED灯珠和8WLED路灯，考察了其散热性能；最后，应用COMSOL Multiphysic多物理场仿真软件对LED温度场进行了初步模拟。论文取得的主要研究结果如下：
　　①硬脂酸表面处理适用于Al、AlN硅脂填料，能在填料表面形成一层有机包覆层，有利于提高导热硅脂热导率；而此表面处理技术不适于石墨、SiC、Cu等微粒。
　　②要制备热导率较高的导热硅脂，填料填充比例应控制在0.55-0.60；填充比例在0.60时，经过硬脂酸处理的Al导热硅脂热导率最高，为6.44W/(mK)；填充比例为0.55时，经过硬脂酸处理的AlN导热硅脂达到3.80W/(mK)；
　　③不同粒径的Al导热硅脂热导率与粒径的关系表明：填料粒径对热导率影响较大，当粒径为20μm时，热导率最高；
　　④二元混合导热硅脂中，以Ag微粒作为第二填料制备的导热硅脂具有较高热导率。Ag/AlN混充时，热导率最高，为5.49W/(mK)，同时，纳米粒子由于粒径太小，增加了填料与基底之间热阻，不适于制备导热硅脂。
　　⑤将制备的导热硅脂用于1W、3W、5WLED灯珠和8WLED路灯，实际散热结果表明：所制备的导热硅脂散热效果优于市购导热硅脂和导热胶片。
　　⑥COMSOL Multiphysic仿真软件对LED温度场的模拟结果与实验所测得结温、基板温度基本符合，表明多物理场模拟可应用于LED热学模拟中。

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中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1研究背景及问题的提出

1.2 LED散热技术

1.3 热界面材料国内外研究现状

1.4 论文研究目的和研究内容

2 导热机理与表面活性剂的作用简介

2.1 传热学基本理论

2.2 硅脂的导热机理

2.3 表面活性剂及其在导热硅脂中的作用

3 导热硅脂的制备与导热性能

3.1 导热硅脂的制备

3.2 导热硅脂的检测

3.3 导热硅脂的热导率

3.4 本章小结

4 导热硅脂在LED灯具中的散热性能研究

4.1 LED结温和热阻的概念与检测原理

4.2 实验测试部分

4.3 导热硅脂在LED上的散热效果与分析

4.4 本章小结

5 LED温度场的模拟

5.1 COMSOL Multiphysics模拟温度场的原理及方法

5.2 LED温度场的模拟结果

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附 录