多芯片大功率LED集成封裝及散熱系統(tǒng)熱管理技術(shù)研究.pdf

1、隨著大功率 LED在照明領(lǐng)域的拓展,LED器件的光通量有了更高的要求,單純的依靠單芯片 LED器件已經(jīng)不能完全滿足應(yīng)用市場(chǎng)的需求。多芯片大功率 LED集成封裝(MCM-LED)技術(shù)在提高器件光通量方面具有潛在優(yōu)勢(shì)。然而,目前大功率 LED芯片表面熱流密度一般在105W/m2以上,采用 MCM-LED技術(shù)后熱量更加集中,其熱管理問題必將更加突出。因此,良好的熱管理是其在照明領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。
　　本文針對(duì) MCM-LED熱管理

2、問題主要從兩個(gè)方面開展了工作:其一,優(yōu)化MCM-LED散熱結(jié)構(gòu),通過封裝結(jié)構(gòu)尺寸和材料的優(yōu)化以降低封裝熱阻;其二,優(yōu)化外部散熱系統(tǒng)熱管理結(jié)構(gòu)(主要包括 MCPCB、器件間距和散熱器),使 LED器件傳導(dǎo)出的熱量盡快的耗散到環(huán)境中以降低外部散熱系統(tǒng)熱阻。
　　首先,在分析大功率 LED熱管理相關(guān)理論的基礎(chǔ)上,應(yīng)用 T3Ster瞬態(tài)熱阻測(cè)試儀對(duì) LED器件與外部散熱器安裝接觸面的接觸熱阻進(jìn)行了試驗(yàn)分析,結(jié)果表明接觸熱阻大小與導(dǎo)熱膠的涂

3、覆質(zhì)量和螺釘預(yù)緊力有關(guān)。
　　其次,通過分析 FC-LED結(jié)構(gòu)、LED封裝失效模式與外部散熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu),建立了 MCM-LED及外部散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原型;針對(duì) MCM-LED及其散熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸與材料,分別利用熱阻網(wǎng)絡(luò)模型、T3Ster瞬態(tài)熱阻測(cè)試儀和有限元數(shù)值分析方法,分別得到了對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)熱阻與結(jié)溫:理論計(jì)算值(6.111K/W,65.435℃)、測(cè)試值(6.729K/W,69.5℃)和仿真值(6.99K/W,71.225℃),通

4、過對(duì)比總結(jié)了產(chǎn)生誤差的原因,驗(yàn)證了有限元數(shù)值仿真模型和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。
　　然后,在有限元熱穩(wěn)態(tài)數(shù)值分析的基礎(chǔ)上,分別從 MCM-LED封裝結(jié)構(gòu)、MCPCB、器件間距和散熱器結(jié)構(gòu)方面對(duì) MCM-LED及其散熱系統(tǒng)的熱管理進(jìn)行了優(yōu)化。應(yīng)用正交試驗(yàn)得出 MCM-LED封裝結(jié)構(gòu)的最優(yōu)參數(shù)組合為:LED芯片尺寸為35mil,芯片間距為0.5mm,凸點(diǎn)直徑為80μm,鍵合層材料為 Sn63Pb37,鍵合層厚度為20μm,對(duì)應(yīng)的熱阻和結(jié)溫為

5、(6.413K/W,67.407℃);由于 MCM-LED光源的器件數(shù)量較少,電路互連簡(jiǎn)單,省去了 MCPCB,減少了熱界面層數(shù)量;分析了器件間距對(duì)結(jié)溫的影響:隨著器件間距的增加,結(jié)溫先下降再上升;應(yīng)用響應(yīng)曲面法得出了在散熱器質(zhì)量較小的條件下其結(jié)構(gòu)參數(shù)的最優(yōu)組合:散熱板厚度為4mm,翅片高度為43mm,翅片厚度為1mm,翅片數(shù)量為9,最優(yōu)組合對(duì)應(yīng)的熱阻和結(jié)溫為(4.877K/W,57.2526℃)。
　　最后,基于 MCM-LED