用于LED的微透镜阵列的光学性能研究

功率发光二极管(LED)的发展迫切需要提高取光效率,微透镜阵列的二次光学设计是改善其光强分布的有效途径.建立了一种大功率LED的封装结构,二次光学设计采用了微透镜阵列技术,运用光线追踪法研究了这种封装结构的光学性能.分析结果表明,利用微透镜阵列技术能显著改善LED的光学性能,改变其光束分布,将LED的照度衰减降低12%以上,从而得到更加均匀的照明系统.     

大功率LED芯片直接固晶热电制冷器主动散热

发光二极管（LED）作为新一代绿色固态照明光源,已广泛应用于照明和显示等领域,但散热问题一直是大功率LED封装的关键技术瓶颈。采用大功率LED芯片直接固晶热电制冷器（TEC）的主动散热方法,可增强大功率LED的热耗散,提升大功率LED的发光性能和长期可靠性。利用高精度陶瓷基板和纳米银膏材料制备出高性能TEC,TEC冷端温度最低可达-22.2℃。将LED芯片直接固晶于TEC冷端的陶瓷基板焊盘上,实现LED芯片与TEC的集成封装,制备出LED-TEC主动散热模块。在芯片电流为1.0 A时,由于热电制冷的珀尔帖效应,LED-TEC模块可将LED芯片的工作温度从232℃降低到123℃（降温幅度为109℃）,且可使其输出光功率从1087m W提升到1 479 m W,光功率提升幅度达到36.1%。     

半导体制冷的大功率LED模组散热模拟

基于热电制冷原理,对采用半导体制冷器制冷的50W大功率LED模组系统散热进行模拟,研究了大功率LED结温(Tj)、半导体制冷器工作状态(冷热端温差ΔT)、散热器热阻(Θh-a)间的关系。模拟结果表明,采用半导体制冷的LED模组系统,存在一个Θh-a的最大限制值,只有Θh-a小于这一限制值时制冷器才能降低LED结温;随着所设计的制冷器ΔT增加,其制冷效率下降,而所要求的散热器散热强度先降低后升高;当Θh-a为定值时,制冷器的ΔT有一个最佳范围;使用多级半导体制冷来给LED模组系统散热更具有价值。     

电子器件热电制冷温度条件的优化

基于热电制冷热力学循环分析了热电制冷器正常工作的温度条件,以及两种极限工况性能受工作温度条件的制约关系。优值系数是热电制冷器性能的内在制约,散热和温度条件则是热电制冷性能的外在制约,热电制冷元件工作的温度特性与电子元件工作的理想温度条件是非常适应的。基于热电制冷的主动冷却技术对高热流密度电子集成部件的封装散热具有重大意义。     

延伸波长InGaAs探测器封装用二级热电制冷器性能研究

真空封装技术是延伸波长InGaAs探测器的主要封装方法之一,热电制冷器可为延伸波长InGaAs探测器焦平面提供低温环境。测试了基于真空封装技术无热负载条件下二级热电制冷器的性能,研究了二级热电制冷器在不同输入电流(功率)时冷、热端温差与热负载的关系,测试了二级热电制冷器在低温工况下的制冷性能以及二级热电制冷器处于不工作状态时的表观热导率。结果表明,热沉温度为274 K时,冷端可以达到221.4 K并实现77.5 K的冷、热端温差;当输入电流一定时,随着热负载的增加,冷、热端温差呈线性趋势减小,且斜率随着输入电流增大而增大;二级热电制冷器冷、热端温差在较高温度时更大,即制冷性能更好;当温度分别为233.1 K 和249.8 K时,表观热导率分别为11.30 W/(m·K)和8.29 W/(m·K)。     

非制冷焦平面热像仪温度控制设计

在分析法国ULIS公司生产的320×240长波红外非制冷微测辐射热计焦平面阵列探测器UL01011技术参数的基础上,论述了微测辐射热计非制冷红外焦平面热像仪温度控制的必要性,指出了温度控制设计的实质。并讨论了单片机、线性模式单芯片热电制冷器控制器和开关模式单芯片热电制冷器控制器温控方案的优缺点。提出了使用AD公司生产的全新单芯片热电制冷器控制器ADN8830的温控设计方案,以该芯片为核心设计出适合320×240长波红外非制冷微测辐射热计焦平面阵列探测器UL01011的温度控制电路,该电路能够把焦平面阵列温度变化控制在30±0.01℃范围内,使探测器工作在最佳温度。该方案功耗低、效率高、体积小,是一种较好的温控设计方案。     

Bi2Te3热电材料研究现状

Bi2Te3热电材料是半导体材料,室温下具有良好的热电特性,能够实现热能和电能的相互转化,应用前景十分广阔。Bi2Te3热电材料的转换效率低是影响其应用的瓶颈之一,目前世界范围内的研究热点主要集中在如何提高热电材料的能量转换效率上。综述了热电材料的种类、国内外关于Bi2Te3热电薄膜的制备方法和性能研究,对多种典型制备方法进行分析对比,探讨了影响Bi2Te3热电薄膜质量的因素及机制。结合Bi2Te3热电薄膜在温差发电和热电制冷方面的应用,如果微型热电制冷器实现与大功率LED芯片集成封装,那么芯片级低温散热问题有望解决。     

硅基热沉大功率LED封装阵列散热分析

为求解硅基热沉大功率LED封装阵列在典型工作模式下的热传导情况,采用Solidworks建立了2×2封装阵列的三维模型,模拟了其温度场分布,同时结合传热学基本原理分析计算了模型各部分的温度值,并对实际工艺制备出的封装器件的结温进行了测量。结果表明,理论计算值与热仿真结果基本一致,测量值也能很好地与理论计算值相吻合。     

大功率白光LED的结温测量

大功率LED器件的结温是其热性能的重要指标之一,温度对LED的可靠性产生重要的影响。采用板上封装的方法,利用大功率芯片结合金属基板封装出了大功率白光LED样品,利用LED光强分布测试仪测试了器件的I—V曲线,用正向电压法测量了器件的温度敏感系数,进而通过测量与计算得到器件的结温和热阻。最后利用有限元对器件进行实体建模,获得了器件的温度场分布。测量结果表明：正向电压与结温有很好的线性关系,温度敏感系数为2mV·℃^-1,LED的结温为80℃,热阻为13℃·W^-1。有限元模拟的结果与实测值具有良好的一致性。     

基于微通道致冷的大功率LED阵列封装热分析

采用微通道致冷技术,设计了大功率LED阵列封装的微通道致冷结构,并应用热分析软件模拟了其热性能,探讨不同鳍片结构尺寸、流速、功率等参数对LED多芯片散热效果的影响.文中提出了采用交错通道以提高LED封装的散热能力,模拟结果显示,交错微通道致冷的封装结构能很好地满足大功率LED阵列的散热需要.     

Design of Bulk Thermoelectric Modules for Integrated Circuit Thermal Management

Various parameters affecting the performance of bulk thermoelectric (TE) modules used for integrated circuit (IC) thermal management are studied. An effective circuit model is developed that takes into account various ideal and nonideal effects in the module. It is shown that there is an optimum module thickness and an optimum operating current which depend on the overall heat dissipation and on the external thermal resistances. Optimized TE modules with ZT~0.8, will have a cross section over leg length ratio of 0.037m, can increase the chip operation power by 15% in comparison with the case without a TE cooler while maintaining the chip temperature below 100degC. This is for a package thermal resistance of 0.2K/W. Prospects for TE material with higher ZT values and the effect of contact resistance on the power dissipation density are also discussed. The results presented in this paper can be used in applications other than in the IC thermal management when external thermal resistances dominate the performance of TE modules     

Study of Phosphor Thermal-Isolated Packaging Technologies for High-Power White Light-Emitting Diodes

A novel packaging configuration for high-power phosphor-converting white light-emitting diodes (LEDs) application is reported. In this packaging configuration, a thermal-isolated encapsulant layer was used to separate the phosphor coating layer from the LED chip and the submount. Experimental and finite-element method simulation results proved that this thermal management can prevent the heat of LED chip from transferring to the phosphor coating layer. The surface temperature of the phosphor coating layer is a 16.8degC lower than that of the conventional packaging at 500-mA driver current for 1-mm power GaN-based LED chip. Experimental results also show that this packaging configuration can improve the light-emitting power performance and color characteristics stability of the white LED, especially under high current operating condition.     

硅衬底结构LED芯片阵列封装热可靠性分析

LED阵列封装是高密度电子封装的解决方案之一,LED的光集成度得到提高,总体输入功率提高,但同时其发热量大,封装结构如果不合理,那么在温度载荷下各层材料热膨胀系数的差异将会导致显著的热失配现象,从而将会大大缩短LED的寿命。为此,兼顾散热和封装的可靠性设计与表面贴装式将芯片直接焊接在铝基板上不同的是采用硅衬底过渡,同时在硅衬底上布置电路这一结构。这种结构的优点是可以通过硅衬底的过渡来降低热失配对封装结构的影响,同时硅衬底作为电路层则省去了器件引脚。通过对4×4的LED芯片阵列结构进行有限元模拟,分析了温度对带有硅衬底的LED芯片阵列封装可靠性影响,同时对硅衬底进行分析和总结。     

功率LED柔性封装结构的设计与热特性分析

根据功率LED的柔性封装要求,提出了基于贴片式(SMD)封装的功率型LED柔性封装结构。对各层结构进行了优化设计,采用有限元分析(FEA),模拟了柔性封装结构LED的热场分布。对比研究了柔性LED与传统封装结构LED的热特性,并对弯曲状态下柔性衬底材料对芯片的应力进行了分析。结果表明,采用金属Cu箔衬底的柔性封装结构,其散热特性较好;Cu/超薄玻璃复合衬底替代Cu箔衬底,可以减少弯曲的应力,减少幅度达到2.5倍,散热特性基本相同。SMD柔性封装的LED不仅具有较好的热稳定性,且具有柔性可挠曲特性,其应用潜力很大。     

户内新型高密度LED显示器件及显示屏的研究

集成电路具有密度高、引线短、外部接线少、体积小、重量轻、成本低、使用方便等特点,提高了电子设备的可靠性和灵活性,在性能上也优于分立元件。采用集成化方式生产的LED显示器件,采用金属外壳封装工艺,很好地解决了集成模块的散热和均热问题;采用COB生产工艺,像素密度可超过25万点／平方米;集成化封装工艺使LED芯片得到了良好的保护;表面黑化处理工艺使整屏的显示效果更好。采用该新型器件,并结合逐点校正技术制造的显示屏,将校正数据存储在模组中,上电后控制器自动读回校正数据,对画面进行校正处理。很好地消除了模块效应．可以得到完美的显示效果。     

A design and qualification of LED flip Chip-on-Board module with tunable color temperatures

with the increasing requirements on guaranteeing the color uniformity and improving the luminous efficacy and manufacturing efficiency, a wafer level chip scale packaging (WLCSP) technology has been developed by thermally impressing a thin multiple phosphor film on a LED wafer, then being segmented into individual LED chips. In this paper, a high power white LED Chip-on-Board (COB) module with high color rendering index (CRI, Ra > 93) and tunable correlated color temperatures (CCTs) is prepared by the flip chip technology. In this COB module, the tunable color temperatures are achieved by using two types of white LED CSPs with different target CCTs of 3000 K and 5000 K. The thermal and photochromatic properties and the photochromatic stability of the COB module are studied through both experiments and simulations. The results show that: 1) The measured spectral power distribution (SPD) intensity of the prepared COB module is smaller than the arithmetic sum of SPD intensities of its each series connected CSPs, which may be attribute to the light absorption happened among CSPs; 2) The junction temperature and driven current have the different effects on the photochromatic properties of COB module (i.e. luminous flux, CCT and CRI); 3) The nonlinearity of luminous flux as a function of driven current and junction temperature should be considered in its modeling.     

Development of a thermal resistance model for chip-on-board packaging of high power LED arrays

The performance of high power LEDs strongly depends on the junction temperature. Operating at high junction temperature causes degradation of light intensity and lifetime. Therefore, proper thermal management is critical for LED packaging. While the design of the heat sink is a major contributor to lowering the overall thermal resistance of the packaged luminaire, another area of concern arises from the need to address the large heat fluxes that exist beneath the die. In this study we conduct a thermal analysis of high power LED packages implementing chip-on-board (COB) architecture combined with power electronic substrate focusing on heat spreading effect. An analytical thermal resistance model is presented for the LED array and validated by comparing it with finite element analysis (FEA) results. By using the analytical expression of thermal resistance, it is possible to understand the impact of design parameters (e.g., material properties, LED spacing, substrate thickness, etc.) on the package thermal resistance, bypassing the need for detailed computational simulations using FEA.     

大功率 LED 汽车前照灯散热系统设计

针对大功率发光二极管(Light-emitting diode, LED)对结点温度要求严格控制的特点,提出一种基于导热板+热沉的散热技术来满足LED 前照灯散热封装的需求。通过数值模拟和试验方法研究了芯片的结温随环境温度、导热板长度、散热器倾斜角度、芯片封装深度的变化规律,试验值与数值模拟值基本吻合。结果均表明,环境温度及散热器的倾斜角对芯片结温有较大影响,芯片结温随环境温度基本呈线性变化关系,散热装置水平放置的散热效果最高。     

大功率集成封装白光LED模组的散热研究

采用有限元分析软件ANSYS,分别对基于均温基板和金属芯印刷电路板结合太阳花散热器的100 W的大功率集成封装白光LED进行了热分析。结果发现:(1)相比金属芯印刷电路板,均温基板提高了LED芯片的均温性,可使每个LED芯片的温度分布一致,且每个芯片的最高温度比最低温度仅高1.1℃,避免了局部热点,从而提高了大功率集成封装白光LED的可靠性,保证了它的寿命。(2)太阳花散热器非常适合大功率集成封装白光LED模组的散热。因此对于大功率集成封装白光LED模组而言,均温基板结合太阳花散热器是一种有效的散热方式。