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发光二极管(LED)是二十一世纪的新型绿色照明光源,具有环保节能、体积小、寿命长等优势,但是其电光转换效率不高,80~90%的功率转化为热量散失掉,造成LED的结温升高,进而又影响其发光效率,因此研究高效散热的LED具有重要的意义。本文以大功率LED为研究对象,采用ANSYS Workbench软件对其进行相关的数值模拟研究,主要研究内容及结论如下:(1)建立了大功率LED纯固体结构的稳态传热模型,得出模拟的结温是65.073℃,总热阻是47.145℃/W;根据热阻网络模型理论计算出LED的总热阻是49.9℃/W,结温是67.415℃;稳态模拟的结温比理论计算的结温低2.342℃,约为3.47%,稳态模拟的热阻比理论计算的热阻低2.755℃/W,约为5.52%。(2)建立了大功率LED基于空气强迫冷却、结构传热以及结构热应力的多场耦合模型;得出耦合模拟的结温是65.114℃,总热阻是47.19℃/W;耦合模拟的结温比理论计算的结温低2.301℃,约为3.41%,耦合模拟的总热阻比理论计算的总热阻低2.71℃/W,约为5.43%;耦合模拟得出GaN芯片上温度最高,温度最低的位置是透镜的顶部;发生的最大总变形量是5.2529?10-3mm,热应变是8.8363?10-4mm/mm,GaN芯片上的最大等效冯米塞斯应力是266.67MPa,铝合金材料结构的最大等效冯米塞斯应力是40MPa左右。(3)对大功率LED进行基于耦合模拟的影响因素分析,分别研究了进口风速、进口半径、基板厚度、翅片高度、键合材料、基板面材料、翅片开缝7个因素对LED散热性能的影响,得出:1)LED的结温、总变形量、等效弹性应变、热应变、等效冯米塞斯应力、应变能均随进口风速(1~8m/s)、进口半径(1~7mm)、翅片高度(4~22mm)和开缝翅片数目(4?1、4?2、4?3)的提高逐渐降低;2)LED的结温随基板厚度(0.5~3.0mm)的增加逐渐降低,后趋于平缓;总变形量随基板厚度的增加先减小后逐渐增大;等效弹性应变、等效冯米塞斯应力随基板厚度的增加先迅速增大,微小变化后逐渐减小;热应变和应变能随基板厚度的增加而逐渐减小;3)LED的结温、等效弹性应变、热应变以及等效冯米塞斯应力随键合材料的影响:Au80Sn20<Pb40Sn60;总变形和应变能随键合材料的影响:Au80Sn20>Pb40Sn60;4)LED的结温、热应变随基板面材料的影响:铝合金>碳化硅>铜;总变形量、应变能随基板面材料的影响:碳化硅>铝合金>铜;等效弹性应变、等效冯米塞斯应力随基板面材料的影响:铝合金>铜>碳化硅。(4)基于耦合模拟,对大功率LED的多个设计变量(进口风速、进口半径、基板厚度、翅片高度)进行基于遗传算法的多目标优化研究,优化前进口风速是4m/s、进口半径是5mm、基板厚度是1mm、翅片高度是5mm,优化后进口风速是4.7067m/s、进口半径是5.8511mm、基板厚度是1.1412mm、翅片高度是22.498mm;优化前大功率LED的结温是65.114℃,总热阻是47.19℃/W,GaN芯片上的等效冯米塞斯应力是266.67MPa,优化后的结温是37.913℃,总热阻是15.19℃/W,等效冯米塞斯应力是76.79Mpa;优化后的结温较优化前降低了27.201℃,约为41.77%,总热阻降低了32℃/W,约为67.81%,芯片上的等效冯米塞斯应力降低了189.88MPa,约为71.20%,优化后大功率LED的散热效果显著增强,结构热应力更小,可靠性更高。