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大功率LED多芯片基板上直接封装的热设计

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目录

大功率LED多芯片基板上直接封装的 热设计

THERMAL DESIGN OF HIGH-POWER LED MULTI-CHIP ON BOARD PACKAGE

摘 要

Abstract

目 录

绪论

1.1 研究目的与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第2章 实验材料与实验方法

2.1 实验材料

2.2 实验设备及方法

2.3 本章小结

第3章 大功率LED的散热方式

3.1 常用散热器散热结构

3.2 热管散热结构

3.3 半导体制冷散热结构

3.4 LED结温的红外测量

3.5 本章小结

第4章 大功率LED散热结构优化

4.1 LED阵列组件的结构优化

4.2 大功率LED路灯散热结构的模拟设计

4.3 LED模组设计

4.4 本章小结

第5章 热界面材料TIMs与LED键合热阻

5.1 LED封装结构热扩散系数测量

5.2 LED键合热阻

5.3 本章小结

第6章 键合界面的微观组织及其演变规律

6.1 键合界面微观组织

6.2 键合界面微观组织演变

6.3 键合试样剪切载荷变化

6.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢

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摘要

LED照明由于具有效率高、能耗低、寿命长、环保等诸多潜在的优点而被视为第四代照明光源。随着对LED功率的不断提高,传统的LED封装结构和热界面材料不能很好地解决越来越严重的散热问题。
  利用数值模拟的方法研究了散热结构中各因素对散热性能的影响,其中包括基板厚度、芯片数量和排列位置及散热方式等;利用DOE实验设计的方法设计了热电分离式大功率LED路灯,并对散热结构进行了数学优化;采用金属热强度和LED结温作为综合优化目标对阵列组件式大功率LED路灯的散热器进行了优化计算,得到了一系列的优化结构参数;设计了两种LED模组,每个模组在传热上可以近似认为是独立的单元,而不受模组个数、周围环境的影响。
  根据测量的LED封装结构的热扩散系数计算了Cu/SAC钎料的界面接触热阻;利用Surface Evolver软件预测了不同钎料量下的焊点形态,根据焊点形态结果计算了LED的键合热阻;采用SAC钎料作为LED芯片键合的热界面材料要明显优于导热胶和高导热银胶。
  采用SAC钎料作为DCB基板与Cu散热器键合(简称DC键合)和LED芯片与DCB基板键合(简称LD键合)的热界面材料,DC键合试样的DCB基板/钎料界面生成了(Ni,Cu,Au)3Sn4,Cu/钎料界面生成了Cu6Sn5;LD键合试样的LED芯片/钎料界面和DCB基板/钎料界面均生成了(Cu,Ni,Au)6Sn5;DC键合试样在老化过程中,DCB基板/钎料界面的(Ni,Cu,Au)3Sn4向(Cu,Ni,Au)6Sn5转化,在(Cu,Ni,Au)6Sn5层与Ni层间生成一层连续的Ni3Sn4化合物;Cu/钎料界面处还生成了一层连续Cu3Sn化合物;DCB基板侧(Cu,Ni,Au)6Sn5化合物在老化过程中的生长是受Cu扩散控制的,DCB基板侧IMC的厚度要小于另一侧IMC的厚度,并且当另一侧IMC增加到一定厚度后,DCB基板侧的IMC厚度的增加变的更为缓慢。

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