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大功率LED照明模块的设计与研制

作 者: 孙毅
导 师: 王春青
学 校: 哈尔滨工业大学
专 业: 材料加工工程
关键词: LED散热 热管 双面覆铜板 模块化
分类号: TM923.34
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
下 载: 35次
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内容摘要


针对大功率LED照明一体化集成封装不便于维修和升级的现状,本文以路灯或室内照明为背景,从模块化的思想出发,设计了可随意拆装和组合的模块。为满足结温约60℃和最大外包围尺寸不超过100×100×60mm3的要求,本文对整个热管理方案,从芯片键合到空气对流换热,逐步进行了设计和优化,从根本上降低了热阻,并研制了样品进行测量和评价。采用双面覆铜板(DBC)作为芯片基板,运用ANSYS有限元软件通过数值模拟的方法研究了各层厚度和芯片间距对基板热阻的影响并得出最优尺寸。通过正交试验和数值模拟,设计了基于热管的依靠空气自然对流换热的散热器,并研究了各尺寸因素影响散热性能的显著性,得到最优尺寸并实验验证。比较了铜和铝两种材料,铜的热导率虽然高于铝,但均属于高热导率金属,散热效果十分接近,从轻量化和成本方面考虑,铝是优选的散热器材料。采用正向电压法和红外热成像法对LED芯片结温和散热结构进行了测量,并使用有限元模拟对散热片与热管的接触热阻进行了估算,模拟结果与实际测量吻合,证实了DBC与热管热沉表面的接触热阻、散热片与热管的接触热阻、散热片与空气的对流换热热阻是影响散热器效果的主要因素。实测结果表明,使用SnBi钎料改善DBC与热沉的接触能得到6.12%的性能提升,进一步采用SnAgCu钎料焊接散热片与热管,能使散热性能提升15%。空气对流换热热阻约占有总热阻的80%,进一步优化散热片尺寸能获得22%的性能提升。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-15
  1.1 课题背景及研究目的  8
  1.2 国内外的研究现状  8-15
    1.2.1 温度对LED性能的影响  8-9
    1.2.2 大功率LED的封装基板  9-10
    1.2.3 大功率LED芯片结构  10-11
    1.2.4 热界面材料  11
    1.2.5 大功率LED的散热结构  11-14
    1.2.6 模块化  14
    1.2.7 本文的主要研究内容  14-15
第2章 实验材料及方法  15-27
  2.1 实验过程概述  15
  2.2 实验材料和设备  15-19
    2.2.1 实验材料  15-17
    2.2.2 实验设备  17-19
  2.3 试样制备及实验方法  19-25
    2.3.1 发光模组的制作  19-20
    2.3.2 铝质热沉和散热片的电镀  20-23
    2.3.3 散热片与热管焊接  23
    2.3.4 DBC与热沉焊接  23-24
    2.3.5 正向电压法原理  24-25
  2.4 本章小结  25-27
第3章 热管理设计计算  27-39
  3.1 热管的设计计算  27-31
    3.1.1 计算初始条件  27-28
    3.1.2 设计计算  28-29
    3.1.3 毛细极限核算  29
    3.1.4 沸腾极限核算  29-30
    3.1.5 携带极限核算  30
    3.1.6 热阻计算  30-31
  3.2 DBC基板的设计计算  31-33
    3.2.1 各层厚度模拟  31-32
    3.2.2 芯片间距模拟  32-33
  3.3 结构热设计  33-38
    3.3.1 热传导热阻  34
    3.3.2 对流换热热阻  34-36
    3.3.3 结构热阻设计  36-38
  3.4 本章小结  38-39
第4章 照明模块的有限元热分析  39-47
  4.1 导热膏与SnBi钎焊结构的数值模拟  39-41
    4.1.1 采用导热膏的结构  39-40
    4.1.2 采用SnBi钎焊的结构  40-41
  4.2 对流换热系数影响结温的有限元模拟  41-42
  4.3 散热片和热沉不同材质的数值模拟  42-43
  4.4 散热器热设计正交试验  43-46
    4.4.1 正交实验条件设计  43-44
    4.4.2 正交实验与分析  44-46
  4.5 本章小结  46-47
第5章 照明模块性能的测量与改进  47-60
  5.1 热管工作温度测试  47-48
  5.2 K值测量  48-50
  5.3 不同散热器结构的测试  50-56
    5.3.1 常规结构及导热膏的替换  50-53
    5.3.2 全焊接结构  53-54
    5.3.3 散热片尺寸优化  54-56
  5.4 模拟值与实测值比较  56-59
  5.5 本章小结  59-60
结论  60-61
参考文献  61-66
致谢  66

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中图分类: > 工业技术 > 电工技术 > 电气化、电能应用 > 电气照明 > 灯泡、灯管 > 半导体发光灯
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