白光LED高效封裝結(jié)構(gòu)及燈具級(jí)散熱機(jī)理的研究.pdf

1、作為一種復(fù)雜的光電子器件，為使白光LED(Light Emitting Diode)取代傳統(tǒng)光源應(yīng)用于照明領(lǐng)域，真正意義上發(fā)揮白光LED長壽命、高光效、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，需要攻克的技術(shù)難題包括散熱技術(shù)、熒光粉技術(shù)、封裝技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。利用數(shù)值計(jì)算和計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化熒光粉涂覆工藝、封裝結(jié)構(gòu)、散熱器結(jié)構(gòu)和發(fā)展新的封裝材料，從而提高LED壽命、獲得高的出光效率成為目前備受關(guān)注的研究方向。目前大家普遍認(rèn)為，用藍(lán)色或紫外光LED芯片作為激發(fā)光源，激發(fā)

2、釔鋁石榴石(YAG)熒光粉發(fā)出白光的方法具有結(jié)構(gòu)簡單、制作工藝相對(duì)容易且成本低廉的特點(diǎn)，是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的制造白光LED的主導(dǎo)方法。因此，本文針對(duì)此種白光LED技術(shù)，圍繞如何提高LED發(fā)光效率和改進(jìn)LED散熱能力，對(duì)熒光粉、封裝結(jié)構(gòu)和材料的光學(xué)仿真設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化以及照明級(jí)白光LED的熱學(xué)仿真設(shè)計(jì)和散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的系列關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究，取得了如下成果：
　　 1)基于Mie散射理論和瑞利散射截面理論，建立了納米粒子摻

3、雜的環(huán)氧復(fù)合材料中的光散射模型，通過算法編程和數(shù)值分析得出了納米粒子的摻加濃度、納米粒子的直徑和折射率與平均光散射長度的關(guān)系，為設(shè)計(jì)每層封裝層的最佳厚度提供了理論指導(dǎo)；基于軸向梯度折射率光線傳輸理論，利用蒙特卡洛方法對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)中光子的散射作用和具有漸變折射率的多層LED梯度封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析。仿真分析發(fā)現(xiàn)基于三層折射率分布為2.01、1.68、1.41的梯度封裝結(jié)構(gòu)，透光率相對(duì)于常見的單層膠封裝結(jié)構(gòu)提高了5.98％。
　　

4、2)基于能帶理論模型，設(shè)計(jì)出新型納米核殼結(jié)構(gòu)熒光粉；采用水熱合成法將YPO4包覆YVO4：Eu3+核心，形成YVO4：Eu3+@YPO4納米核殼結(jié)構(gòu)熒光粉。并用X射線衍射儀(XRD)、透射電鏡(TEM)和熒光光譜儀(PL)等測(cè)試手段對(duì)所得樣品進(jìn)行表征。TEM測(cè)試結(jié)果表明該納米核殼結(jié)構(gòu)熒光粉粒徑為10～30 nm，分布均勻、形態(tài)規(guī)則、結(jié)晶度高，殼厚為5～10 nm；XRD測(cè)試結(jié)果表明合成的納米核殼結(jié)構(gòu)的核心結(jié)晶度高，而且證明其殼層為YPO

5、4；熒光光譜測(cè)試結(jié)果表明YVO4：Eu3+@YPO4納米核殼結(jié)構(gòu)熒光粉比單純YVO4：Eu3+熒光粉的發(fā)光效率高出66.75％，而且具有較高的色純度。進(jìn)一步，結(jié)合第一性原理方法，對(duì)YVO4和YPO4晶體的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論計(jì)算，定性的說明了電子躍遷和發(fā)光的關(guān)系。
　　 3)基于CFD方法，根據(jù)LED自然對(duì)流散熱的特點(diǎn)構(gòu)建起綜合考慮“傳導(dǎo)-對(duì)流-輻射”耦合傳熱問題的包含LED芯片、基板、散熱器和外部流體空間的全場(chǎng)三維數(shù)學(xué)模型。利用該

6、模型對(duì)LED陣列自然對(duì)流散熱過程進(jìn)行模擬，結(jié)果表明：①流動(dòng)狀態(tài)是影響翅片換熱特性的重要因素，不同翅片間、以及同一翅片不同位置處的換熱系數(shù)均存在較大差異，翅片換熱特性與流速分布之間存在明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，對(duì)LED進(jìn)行散熱分析時(shí)必須考慮外部空氣的流動(dòng)狀態(tài)；②輻射效應(yīng)在自然對(duì)流散熱中發(fā)揮著重要作用，它一方面能減小熱阻、降低結(jié)溫，另一方面對(duì)溫度場(chǎng)有均勻化作用，能弱化溫度分布的不均勻性，提高整體散熱效率。在本文的計(jì)算條件下，與未考慮輻射相比，當(dāng)

7、散熱器表面嚴(yán)重氧化時(shí)(此時(shí)輻射效應(yīng)較強(qiáng))輻射散熱量占總散熱量的38.7％，基板最高溫度降低6.4℃。因此，強(qiáng)化輻射換熱也是提高LED散熱性能的有效途徑之一。
　　 4)平行翅片型LED存在較為嚴(yán)重的方向敏感性問題，不同方向下散熱性能的優(yōu)劣依次是：90°>0°>180°>270°(即90°方向時(shí)翅片的散熱性能最好)。CFD數(shù)值模擬揭示，造成不同方向下散熱性能顯著差異的根本原因是：當(dāng)LED處于不同方向位置時(shí)，形成了具有不同流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的

8、自然對(duì)流流態(tài)，而LED外部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的差異造成了整體換熱性能的方向敏感性。開縫翅片在不同方向下均能保持自下而上的流動(dòng)形態(tài)，削弱了流動(dòng)結(jié)構(gòu)的差異，因此能有效弱化LED自然對(duì)流散熱的方向敏感性。
　　 5)基于場(chǎng)協(xié)同原理的分析表明，在自然對(duì)流條件下，LED散熱結(jié)構(gòu)改進(jìn)(翅片開縫和燈具開通孔)強(qiáng)化LED自然對(duì)流散熱的本質(zhì)是，通過散熱結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，改善了LED器件外部的自然對(duì)流流動(dòng)狀態(tài)，減小了散熱表面附近空間速度場(chǎng)與熱流場(chǎng)的夾角，即增強(qiáng)了速