去除铝基板大功率LED热分析
摘要：本文主要提出一种大功率LED免铝基板封装方式,对传统的铝基板封装和免铝基板封装的LED进行模拟对比分析。模拟结果表明：两种封装结构的LED，其最高温度均出现在LED芯片处：对于单颗功率1 W、3颗功率1 W和单颗功率3 W的器件，由于有效地简化了散热通道、大幅度降低了总热阻，。传统的铝基板封装即使选用热导率高达200 W／(m·K)的基板，其散热效果依旧略逊于免铝基板封装结构，且随着LED功率的增大，免铝基板的新型封装结构散热优势更加明显。本文的研究为解决大功率LED的散热问题和光色稳定性问题提供了一种新途径。
关键词：热阻；大功率LED；封装分析；热分析
Thermal Analysis of High-power LED Without Aluminum Substrate
Abstract：A novel method that without aluminum substrate high－power LED encapsulation is proposed．The thermal properties of traditional structure and this new structure is simulated by using finite element analysis software．The simulation results show that the maximum temperatures appear in the LED chips．Comparing with the traditional structure，the maximum temperatures of the new structure respectively lower 6．436，9．468 and 19．309℃when the input power is 1×1 W，3×1 W and 1×3 W．Even if the thermal conductivity of substrate reaches as high as 200 W／(m·K)，the heat dissipation effect is still better than the structure with aluminum substrate．The heat dissipation effect of the new structure is obviously superior to that of aluminum substrate structure．With the increase of input power，the advantage of the new structure is more remarkable．It provides a new way to solve the heat dissipation problem of high power LED．
Key words：thermal resistance；high—power LED；thermal analysis
1. 绪论
1.1 LED出现的意义与应用前景
纵观人类照明史的发展，主要经历了火光照明，白炽灯照明，荧光灯照明三大阶段。新兴的半导体固体照明被认为是继荧光灯照明之后，人类照明史上的又一次历史性飞跃。从本质上讲，照明史的发展就是人类不断提高照明效率的过程。最初的火光照明采用燃烧化学燃料的方法来获得人类所需的光源。但由于火光的大部分光谱位于可见光光谱之外的范围之外，而且燃烧产生的90%的能量均转化成了热能，因此火光照明效率非常低，加上燃料的燃烧经常伴随产生对环境有污染的气体，于是人们便开始了寻找和开发发光效率更高的照明器件的历程。白炽灯的发明是人类照明史上的一次重大飞跃。首先，它摈弃了传统的化学燃料，而采用电能作为发光驱动能源，因此具有无污染，易运输的优点。其次，虽然其发光频谱大部分还是落在可见光谱之外，但它的出射光的峰值位于可见光谱的附近，因此发光效率比燃烧发光高得多。一般来说，普通白炽灯的发光效率为16lm/w。第三种照明技术是荧光灯照明，荧光灯利用电能作为驱动能源来激发低压泵蒸汽产生波长约为253.7nm的窄带紫外出射光，紫外光照射灯管内壁上的荧光粉，激发它产生占满整个可见光谱的白光。由于荧光灯的出射光波波长几乎全部集中在可见光谱的某一窄带范围内，因此其发光效率大大高于白炽灯，一般为85lm/w。
LED，简单的理解，就是半导体发光二极管，半导体固体发光器件为近几年兴起的第四代照明器件，是目前世界上最先进的照明器件。LED并非灯丝加灯泡的“老面孔”，而是以半导体芯片为材料的固态光源，直接把电能转换为光能。目前，LED照明技术日趋成熟，LED将会在照明行业内得到普及，进而引发人类照明史上的第四次革命。半导体照明光源的发展将会对相关应用领域产生革命性的技术推动作用，特别是在户外照明技术上的突破会使应用产生质的飞跃，从而加速推动市场的爆炸性增长。首先，它非常节能，无污染。直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06w）电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上。LED环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，炫光小，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。其次，LED寿命长，使用寿命可达6万-10万小时，比传统的光源寿命长10倍以上，有人称它为长寿灯。它是固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧，热沉积灯缺点，最后，高新尖，智能化也是LED的“特长”。LED光源可利用红绿蓝三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度，并任意混合，即可产生256×256×256＝16777216种颜色，形成不同光色的组合，变化多样，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品，成功融合了计算机技术，网络通信技术，图像处理技术，嵌入式控制技术等，所以亦是数字信息化产品，是半导体光电器件“高新尖”技术产品，具有在线编程，无线升级，灵活多变的特点。半导体光源已成为全球最热门，最瞩目的光源，半导体照明被认为是21世纪最有可能进入普通照明领域的一种新型固态冷光源和最具发展前景的高新技术之一，代表着未来照明光源发展的方向。
1.2 LED产业是新能源的孵化器
LED被誉称为绿色光源，可以广泛应用与各种指示，显示，装饰，背光源，普通照明和城市夜景等领域。近年来，世界上一些发达国家围绕LED的研制展开了激烈的技术竞赛。美国从2000年起投资5亿美元实施“国家半导体照明计划”，欧盟也在2000年7月宣布启动类似的“彩虹计划”。我国科技部在“863计划”的支持下，2003年6月首次提出发展半导体照明计划。多年来，LED照明以其节能，环保的优势，已受到国家和各级政府的重视，各地纷纷出台相关政策和举措加快LED灯具的发展；大众消费者也对这种新型环保的照明产品渴求已久。几年来，价格低廉LED产品已进入市场，并得到市场认可，但是，高端LED产品由于投入在技术和推广上的成本居高不下，使得令千万消费者翘首以待的LED照明产品一直可望而不可即，迟迟未能揭开其神秘的面纱！随着国内部分厂家技术和生产成本的降低，LED照明叫好而不叫座的局面行将改变。价廉物美的LED照明产品，将给我国照明行业带来革命性的冲击。新能源将逐步取代传统能源成为推动社会经济进步的驱动器，而新能源往往又是伴随着新技术的诞生和进步应运而生的，LED产业就是新能源的一个典型的孵化器。LED市场前景广阔，充满巨大商机。
目录
1. 绪论
1.1 LED出现的意义与应用前景 3
1.2 LED产业是新能源的孵化器 4
1.3 LED发展现状 4
2. 大功率LED的结构与特性
2.1大功率LED的结构 6
2.2大功率LED的优点及特性 9
3. 大功率LED的散热设计及热分析
3.1大功率LED的散热设计 15
3.2大功率LED的热分析 16
3.3 LED的热学指标 19
4. 封装模拟分析
4.1 理论分析 21
4.2 仿真模拟 24
4.3 结果与讨论 25
5. LED发展趋势 27
6. 总结 28
小结与致谢 29
参考文献 29
参考文献
[1]王雅芳：《LED驱动电路设计与应用》 机械工业出版社 2005.8
[2]杨清德 杨云兰：《LED及其技术问答》 机械工业出版社 2005.6
[3]周志敏 《大功率LED照明技术设计与应用》 机械工业出版社 2008.6
[4]蔡建军 《电子产品工艺与标准化》 北京理工大学出版社 2011.8
