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LED作为一种新型高效固体光源,具有节能、环保和寿命长等特点,大幅降低了用电量,减少了有毒物质的产生。但是LED在工作时有10%～20%的功率转化为光能,80%～90%的功率转化为热能,因此开发热可靠性高、光学性能优异的封装结构对照明用LED的推广应用至关重要。本文针对制约照明用LED发展的散热和光学设计这两大关键问题,研究了基于热管结构的大功率LED散热问题;分析了LED照明系统的光照度和均匀性,并对其进行了改进和完善。首先,在对LED市场需求和产品应用进行深入调研的基础上,介绍了当前国内外大功率LED制造所采用的工艺、材料、热设计方法及光学设计方案等。在此基础上,提出了本课题的研究内容和研究思路。其次,针对多芯片大功率的LED发光器件提出了热管加翅片散热的热设计方案,进行热管材料、工质和结构参数的设计与选择,核算热管的毛细极限,确定热管的导热能力;基于热管热阻网络图,估算热管的热阻和热传导系数;在此基础上,根据设计所要求的结温,估算翅片有效散热面积,并应用热阻网络图估算芯片结温为62℃。然后,采用专业热分析软件ICEPAK对基于热管散热的大功率LED照明系统进行了热仿真分析。探讨了热分析与流体分析所需求解的微分方程和基于有限体积法求解的基本思想。简要介绍了基于有限体积法的热分析软件ICEPAK,基于该软件建立了基于热管散热的大功率LED照明系统的热仿真模型,根据实际应用环境设置合理边界条件并进行分析求解,结果显示芯片的最高温度为65℃。ICEPAK软件求解的结温与基于热阻网络求解的结温63℃相比,结果相差幅度为3%,同时也验证了所采用热管和翅片结构的合理性。此外,针对LED散热系统中的翅片结构,系统分析了翅片厚度、高度和翅片间距及有效散热面积对结温的影响,同时考虑到LED成本最低和结构轻量化需求,选取翅片厚度为1mm,高度为25mm,翅片个数为13片为最优的一组数据,此时芯片结温最低为59℃,完全符合多芯片大功率LED实际应用要求。最后,对大功率多芯片封装LED照明系统中的光学器件进行了光照度和均匀性分析。在完成上述热设计基础,综合考虑结温对LED光学性能的影响,应用专业光学设计软件TRACEPRO初步研究大功率多芯片封装LED照明系统的光学特性;在此基础上进行二次光学设计,采用不同结构的光学器件对LED器件进行光线的追迹模拟,得出光照度图,对比分析得出较优的结果,最终获得合理的光学设计方案。