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随着大功率 LED在照明领域的拓展,LED器件的光通量有了更高的要求,单纯的依靠单芯片 LED器件已经不能完全满足应用市场的需求。多芯片大功率 LED集成封装(MCM-LED)技术在提高器件光通量方面具有潜在优势。然而,目前大功率 LED芯片表面热流密度一般在105W/m2以上,采用 MCM-LED技术后热量更加集中,其热管理问题必将更加突出。因此,良好的热管理是其在照明领域发展的关键技术之一。 本文针对 MCM-LED热管理问题主要从两个方面开展了工作:其一,优化MCM-LED散热结构,通过封装结构尺寸和材料的优化以降低封装热阻;其二,优化外部散热系统热管理结构(主要包括 MCPCB、器件间距和散热器),使 LED器件传导出的热量尽快的耗散到环境中以降低外部散热系统热阻。 首先,在分析大功率 LED热管理相关理论的基础上,应用 T3Ster瞬态热阻测试仪对 LED器件与外部散热器安装接触面的接触热阻进行了试验分析,结果表明接触热阻大小与导热胶的涂覆质量和螺钉预紧力有关。 其次,通过分析 FC-LED结构、LED封装失效模式与外部散热系统结构,建立了 MCM-LED及外部散热系统的结构原型;针对 MCM-LED及其散热系统的结构尺寸与材料,分别利用热阻网络模型、T3Ster瞬态热阻测试仪和有限元数值分析方法,分别得到了对应的系统热阻与结温:理论计算值(6.111K/W,65.435℃)、测试值(6.729K/W,69.5℃)和仿真值(6.99K/W,71.225℃),通过对比总结了产生误差的原因,验证了有限元数值仿真模型和计算结果的准确性。 然后,在有限元热稳态数值分析的基础上,分别从 MCM-LED封装结构、MCPCB、器件间距和散热器结构方面对 MCM-LED及其散热系统的热管理进行了优化。应用正交试验得出 MCM-LED封装结构的最优参数组合为:LED芯片尺寸为35mil,芯片间距为0.5mm,凸点直径为80μm,键合层材料为 Sn63Pb37,键合层厚度为20μm,对应的热阻和结温为(6.413K/W,67.407℃);由于 MCM-LED光源的器件数量较少,电路互连简单,省去了 MCPCB,减少了热界面层数量;分析了器件间距对结温的影响:随着器件间距的增加,结温先下降再上升;应用响应曲面法得出了在散热器质量较小的条件下其结构参数的最优组合:散热板厚度为4mm,翅片高度为43mm,翅片厚度为1mm,翅片数量为9,最优组合对应的热阻和结温为(4.877K/W,57.2526℃)。 最后,基于 MCM-LED封装结构优化结果,建立了基于 TSV的多芯片大功率 LED集成封装结构原型以解决热管理问题。利用有限元数值分析方法,首先分析了 TSV直径及其面积对结温的影响趋势;通过对 TSV填充铜结构加载-40℃~125℃温度载荷,分析了填充铜直径、孔间距与孔直径比、硅衬底厚度等对 TSV界面热应力的影响。