基于板上芯片技术的高功率LED系统封装热设计研究

摘要

LED具有低功耗、高发光效率、长寿命等突出优点成为第四代绿色照明光源。然而高功率LED完全取代传统照明还面临着由热引起的光衰、色温漂移、短寿命等诸多技术问题,故热管理成为了高功率LED系统设计的关键技术之一。同时,鉴于板上芯片技术具有散热效率高、成本低等优点,本文开展了依据板上芯片技术的高功率LED系统封装热设计研究。
　　(1)提出了基于COB(Chip on Board)技术并在MCPCB基板中设置盲孔的LED系统封装结构及基于COH(Chip on Heat sink)技术的LED系统封装结构两种板上芯片技术的LED系统封装原型;并分析了封装结构原型热阻网络模型。
　　(2)以某公司的高功率白光LED射灯封装结构为载体,把两种结构原型应用在该公司的 LED射灯上。以某公司射灯、单独基于 COB技术、基于 COB技术并在MCPCB基板中设盲孔、基于COH技术的四种高功率LED系统封装结构为热仿真对象,借助ANSYS12.1软件对它们进行热仿真分析,得到它们最高温度分别为77.615 oC、76.181 oC、72.086 oC、72.514 oC,仿真热阻分别为:5.01 K/W、4.874 K/W、4.484 K/W、4.525 K/W,对比仿真结果表明后两种封装结构中LED结温较低,散热效果最好。并基于UIDL和APDL语言对ANSYS进行二次开发,做出热仿真与热阻计算菜单模块,集成LED系统封装热仿真流程,简化了操作步骤与热阻繁琐计算过程。
　　(3)根据仿真结构模型,设计电路并制作高功率LED系统封装样品,其中借助高性能引线键合设备实现LED芯片模组与MCPCB间的电气连接,借助蓝光LED芯片配合远程荧光粉实现白光LED系统封装,接着利用T3ster热阻测试仪对制作的样品进行热学性能测试以验证仿真热阻与理论计算热阻,利用光学设备测试了样品的相关光学参数。
　　(4)采用多学科优化软件OPTIMUS对基于COB技术并在MCPCB基板中设有盲孔的高功率LED系统封装结构原型进行优化设计,利用综合考虑了线性项、交叉项及二阶项的Box-Behnken试验设计方法获得优化试验数据,对这些数据应用最小二乘法拟合建立响应面模型,确定所有输入参数对优化目标敏感度排序,最后对结构原型进行了结构尺寸参数优化,得到了具有最好散热效果的LED系统封装结构,此时LED芯片结温最低,为49.995 oC。
　　本文研究结果表明提出的基于COB并设盲孔和基于COH的这两种LED系统封装结构具有较好的散热效果,对基于板上芯片技术的高功率LED系统封装结构原型设计与热管理具有一定的指导意义。

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第一章 绪论

§1.1 引言

§1.2 课题研究背景及意义

§1.3 国内外研究现状

§1.4 本文研究思路和研究内容

第二章 高功率LED系统封装热管理研究

§2.1 LED热学特性

§2.2 高功率LED常用散热技术

§2.3 基于板上芯片技术的高功率LED系统封装整体设计

§2.4 高功率LED热阻及其系统封装等效热阻网络模型

§2.5 本章小结

第三章 高功率LED系统封装结构热仿真分析

§3.1 基于板上芯片技术的高功率LED系统封装的温度场仿真

§3.2 ANSYS软件二次开发

§3.3 本章小结

第四章 高功率LED系统封装样品制作及热阻和光学性能测试

§4.1 基于板上芯片技术的高功率LED系统封装样品制作流程

§4.2 LED系统封装样品的热阻及光学性能测试

§4.3 本章小结

第五章 基于OPTIMUS软件的高功率LED系统封装结构优化设计

§5.1 OPTIMUS优化工作流程图

§5.2 试验设计（DOE）

§5.3 响应面模型（RSM）确定输入变量中的主要变量

§5.4 多变量单目标LED系统封装结构优化

§5.5 本章小结

第六章 总结与展望

§6.1 研究结论

§6.2 研究展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士期间的主要研究成果