大功率LED及其燈具的光熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和環(huán)境可靠性分析.pdf

1、隨著大功率LED性能不斷增加，成本持續(xù)下降，大功率LED正逐漸取代傳統(tǒng)光源，在照明領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但是目前LED的生產(chǎn)制造仍然存在許多問題:首先，GaN材料只能在異質(zhì)襯底上生長，Si是一種潛在的低成本和高功率器件襯底材料，但由于Si和GaN之間存在大的晶格和熱失配，需要精心設(shè)計(jì)插入層和緩沖層結(jié)構(gòu)才能獲得高質(zhì)量的GaN外延層;其次，LED的外量子效率不高，大部分光子都在芯片內(nèi)部產(chǎn)生了全反射并最終轉(zhuǎn)換成熱量，而LED又對溫度敏感

2、，需要提高LED的取光效率并進(jìn)行散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化，同時(shí)為滿足目標(biāo)面照明的需求，還需要對LED進(jìn)行自由曲面透鏡設(shè)計(jì)進(jìn)行配光;最后，LED燈具往往會面對高溫高濕的惡劣使用環(huán)境，會使得燈具內(nèi)部的缺陷被加速放大，可靠性下降壽命降低并導(dǎo)致失效。本論文從以上幾個方面對LED的光熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和環(huán)境可靠性進(jìn)行研究，具體的工作包括:
　　(1)對GaN外延薄膜的生長方式和生長機(jī)制進(jìn)行探討，推導(dǎo)襯底和外延層之間因熱失配導(dǎo)致的熱應(yīng)力求解公式?；谟邢拊椒?，

3、建立HT-AlN緩沖層和多層LT-AlN插入層作為應(yīng)變緩沖層的Si襯底生長GaN薄膜結(jié)構(gòu)。通過對插入層的數(shù)目進(jìn)行分析，可知當(dāng)插入層數(shù)目為2個時(shí)外延薄膜的熱應(yīng)力最小且分布較為均勻，GaN薄膜上下表面最大熱應(yīng)力為0.133GPa和0.110GPa。按照此模型的參數(shù)條件進(jìn)行MOCVD生長，獲得了1500nm厚的優(yōu)質(zhì)GaN外延層。進(jìn)一步優(yōu)化LT-AlN插入層的厚度，最佳厚度為20-27nm。若將LT-AlN換成雙層階梯漸變的AlxGa1-xN插

4、入層，當(dāng)上下層x分別取0.2和0.8時(shí)，最大熱應(yīng)力再一次得到優(yōu)化，降為0.101GPa。
　　(2)針對小間距點(diǎn)光源LED陣列排布，基于邊緣光線理論和光學(xué)擴(kuò)展量守恒定律，提出一種LED光線空間和目標(biāo)面的網(wǎng)格劃分方式，以沿垂直LED表面法線的橫向和沿法線方向的縱向兩個方向迭代兼顧的方式，獲得了一款可用于道路照明的自由曲面透鏡。仿真結(jié)果表明，配光后的LED整體光能利用率為90.4％，能量基本被限制30m×13m的矩形區(qū)域內(nèi)，水平方向和

5、垂直方向的照度均勻度分別為83.2％和71.7％。當(dāng)LED以30m間隔平行排列時(shí)，可以在路面形成寬度約為14m的光斑，垂直照度均勻度提高為77.2％。透鏡具有較高的容差冗余。據(jù)此開模制造的LED路燈配光曲線為蝙蝠翼型，橫向和縱向±62°和±40°范圍內(nèi)的平均照度分別為31.17lx和25.72lx，滿足國家道路照明標(biāo)準(zhǔn)。
　　(3)分析了微透鏡陣列對取光效率的影響，設(shè)計(jì)正方形、三角形、六邊形、雙曲型等無縫隙微透鏡陣列，發(fā)現(xiàn)其取光效

6、率和擴(kuò)散角度均比傳統(tǒng)微透鏡陣列要高10-20％和7-45°。設(shè)計(jì)一種自由曲面透鏡和微透鏡陣列一體化的，前端加裝光學(xué)準(zhǔn)直器的光引擎模塊，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對不同光型LED以及點(diǎn)狀、面狀光源的配光。模擬顯示，在照明目標(biāo)面上可以獲得均勻度92％的配光效果。
　　(4)為達(dá)到降低大功率LED路燈制造成本的同時(shí)又保證散熱能力，采用正交實(shí)驗(yàn)法對散熱器的肋片尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。利用仿真軟件進(jìn)行建模和散熱仿真，分析了肋片深度、肋片間距、肋片厚度和肋片長度

7、四個因素對LED結(jié)溫的影響，最終得出優(yōu)化結(jié)果，上述參數(shù)分別取14mm、16mm、4mm和450mm。實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)表明優(yōu)化后的散熱器能較好的實(shí)現(xiàn)LED熱量的導(dǎo)出，在密閉無風(fēng)的空間內(nèi)，結(jié)溫溫升為47.9℃。
　　(5)論述了溫度傳導(dǎo)和濕度擴(kuò)散控制方程，對LED燈具內(nèi)的溫濕度擴(kuò)散進(jìn)行模擬仿真，并利用熱-結(jié)構(gòu)耦合場進(jìn)行熱應(yīng)力和濕應(yīng)力的計(jì)算。LED球泡燈的熱擴(kuò)散只需約5分鐘即可達(dá)到平衡，而濕擴(kuò)散則要70h。熱應(yīng)力遠(yuǎn)高于濕應(yīng)力，是導(dǎo)致LED封

8、裝模塊變形、開裂的主要因素，但濕擴(kuò)散會降低封裝材料間的粘合強(qiáng)度，也會導(dǎo)致燈具加速老化失效。
　　(6)對LED燈具進(jìn)行了溫度老化和濕熱老化試驗(yàn)，分析了兩種老化試驗(yàn)下的失效模式和失效機(jī)理。LED芯片效率下降、封裝硅膠變黃、熒光粉轉(zhuǎn)換效率下降以及封裝材料開裂是常見的失效方式，導(dǎo)致燈具的輸出光通量下降和色溫升高。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，LED燈具在老化時(shí)符合威布爾壽命分布模型，利用阿列里烏斯壽命模型和艾林壽命模型分別建立了單應(yīng)力和雙應(yīng)力老化時(shí)的壽