论文摘要
发光二极管（LED）被称为二十一世纪的光源。然而随着发光二极管功率的不断增大,热流密度也不断增大,散热问题已经成为制约其发展和应用的瓶颈,因此必须不断改善LED器件及应用过程的热设计。本文针对GaN基功率型LED,采用数值模拟与实验相结合的方法,从材料、器件、汽车前照灯应用系统三个层面对其进行了深入系统的热分析和研究。III价氮化物是功率型LED芯片制做的主要材料,其位错密度较大。本文在热导率计算的修正Callaway模型中,引入了位错和同位素散射的影响,计算了GaN的热导率。结果表明位错和杂质对热导率的影响都存在临界值。讨论了位错密度和同位素影响的相对大小,当位错密度小于1010 cm-2时,同位素对GaN热导率影响很大,而当位错密度大于这一值时,同位素影响很小,从而澄清了同位素对热导率影响大小的争议。同时在输运性质计算的Monte Carlo方法中引入了位错的影响,发现位错对迁移率的影响也存在一临界值。针对功率型LED芯片,建立了利用准确的芯片热源模型计算芯片温度分布和热应力的方法。研究了基板的热导率和底板换热系数对芯片最高温度和最大应力的影响,指出综合考虑散热和成本,采用热导率为140 Wm-1K-1的硅基板是一个很好的选择。倒装芯片的研究发现,倒装芯片只有合理的设计键合区域才能改善芯片的散热性能。为了方便的对LED热阻进行测试,设计了一种简单易用的器件热阻测试方法——快速切换法,并基于此方法设计了LED热阻测试仪器。利用设计的热阻测试仪对车灯用大功率LED的热阻进行了测试,测试结果与器件标称值符合的较好。针对LED汽车前照灯设计了热测试实验系统。并设计了导热板、热管及直接热沉式的热控制方案。研究发现将LED直接置于热沉上的方案散热效果最优,热管方案次之,导热板方案最差。用6个LEWD1A型LED组成的前照灯的测试表明采用热沉式方案,总功率为40 W,室温时,LED结点温度为70 oC;环境温度升高为80 oC时,结点温度为123 oC,前照灯可以长时间正常工作。
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摘要ABSTRACT主要符号对照表第1章 引言1.1 研究背景与意义1.1.1 功率型LED 光源的优势1.1.2 功率型LED 的发展现状1.1.3 功率型LED 的应用1.2 功率型LED 应用过程中的散热问题1.3 功率型LED 散热问题的研究现状1.3.1 III 价氮化物热导率及输运性质研究现状1.3.2 功率型发光二极管器件热分析研究现状1.3.3 功率型发光二极管热阻测试研究现状1.3.4 功率型发光二极管散热技术研究现状1.4 本文研究的主要内容第2章 III 价氮化物热导率及输运性质模拟2.1 侧面外延生长GAN 热导率的计算2.1.1 侧面外延生长方法介绍2.1.2 热导率计算的晶格动力学方法2.1.3 声子散射过程弛豫时间计算2.1.4 计算方法验证2.1.5 温度对热导率的影响2.1.6 同位素对热导率的影响2.1.7 位错对热导率的影响2.1.8 杂质对热导率的影响2.1.9 不完全结合GaN 热导率的计算2.2 GAN 及INN 电子输运性质的计算2.2.1 漂移速度模拟的蒙特卡罗方法2.2.2 电子散射过程2.2.3 计算方法验证2.2.4 温度对电子漂移速度的影响2.2.5 温度对迁移率的影响2.2.6 位错对电子漂移速度的影响2.3 INGAN 热电特性模拟2.3.1 材料热电特性的计算方法2.3.2 InGaN 热电特性计算2.4 本章小结第3章 功率型发光二极管芯片的温度场与应力场分析3.1 发光二极管的发热机理3.1.1 功率型发光二极管芯片的基本结构和能带结构3.1.2 发光二极管发热过程3.2 温度场与应力场模拟的物理数学模型3.2.1 温度控制方程3.2.2 载流子控制方程3.2.3 应力控制方程3.3 芯片的温度和应力场模拟3.3.1 材料热导率计算3.3.2 芯片温度和应力场模拟结果3.4 本章小结第4章 功率型发光二极管热阻测试4.1 快速切换法原理4.1.1 发光二极管热阻的定义4.1.2 快速切换法原理4.2 热阻测试仪原型设计4.2.1 热阻测试仪总体设计4.2.2 控温部分4.2.3 数据采集与控制部分4.2.4 电源部分4.2.5 器件热阻测试4.2.6 测量误差分析4.3 本章小结第5章 LED 汽车前照灯散热研究5.1 无强化散热措施的车灯散热实验5.1.1 模拟热源设计5.1.2 实验系统设计5.1.3 实验结果与分析5.2 LED 汽车前照灯强化散热方案设计与测试5.2.1 导热板散热方案5.2.2 热管式散热方案5.2.3 热沉式散热方案5.3 LED 汽车前照灯设计的一些建议5.4 本章小结第6章 结 论参考文献致谢个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果
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