LED具有尺寸小、亮度高、节能环保、寿命长、效率高等优点,因此被广泛应用于交通信号灯、汽车后灯、液晶显示、夜景照明及普通照明等,白光LED是继白炽灯和荧光灯照明的新一代照明光源。但LED电光转换效率较低,多余的电能在芯片内转化为热能,若不能及时将热量导出,会导致芯片结温升高,从而影响LED器件散热及可靠性。LED器件散热问题成为制约其产业发展的主要瓶颈,因此需要优化热设计降低LED器件热阻即提高LED散热性能。互连材料及互连层空洞率(互连层空洞体积与互连层体积之比)对大功率LED散热有着重要影响,大功率LED封装基板对其扩散热阻有一定的影响,因此互连材料、互连层空洞率及封装基板是大功率LED热设计中的关键。首先采用T3ster热阻测试仪和ANSYS热学仿真对LED器件及模型进行热学分析,以三种互连材料(金锡、锡膏及银胶)对LED器件热阻及芯片结温的影响为例,分析了互连材料的热导率及厚度对LED器件热学性能的影响。实验结果表明:互连层热阻约占LED器件总热阻的1/3,是影响LED结温的主要因素之一;金锡互连质量最好,其互连层热阻最小;金锡共晶互连封装器件互连层厚度最小,厚度越小对HP-LED散热越有利。热学模拟结果表明:互连材料热导率升高到20 W/m K时,再提高互连材料热导率对HP-LED散热性能的影响不再显著;互连层与芯片和基板的有效接触面率从100%减小到10%,LED结温升高了8.7%。互连材料的热导率、厚度及互连层与芯片和基板的有效接触面积均会影响LED芯片的结温,因此在LED器件互连的设计中,需综合考虑以上三个关键参数,以实现散热性能最佳化。其次研究了互连层空洞率对大功率LED的光学、热学及电学性能的影响,通过实验及仿真数据分析互连层空洞率对大功率LED的光学、热学及电学性能的影响,实验结果表明:共晶压力从0 N增加到2 N,互连层空洞率从62.45%减小到16.53%,互连层热阻(由互连材料及互连层空洞共同产生的热阻)减小了82.7%;光通量随着互连层热阻的减小而增大,光通量增大了6.87%。有限元模拟结果表明:互连层空洞对LED芯片的热应力及热应变分布有较大影响,仿真结果发现互连层30%的空洞率使LED芯片的热应力及热应变分别增加了49.87%和50%;互连层空洞对有源层的电场强度及芯片最大电流密度均有较大影响,空洞使LED芯片最大电流密度及电场强度分别增大了161.06%和37.15%。最后研究了大功率LED封装模块扩散热阻的影响因素。运用T3ster热阻测试仪、有限元仿真及扩散热阻计算公式对LED封装模块进行热学分析,对于LED单芯片扩散热阻研究结果表明:①扩散热阻在LED封装模块热阻中占较大比重,约占60.49%;②热源与基板之间的接触面率是扩散热阻的主要影响因素,接触面率增大有利于减小扩散热阻;③扩散热阻随着基板厚度的增大而先减小后变大,存在最佳基板厚度使得扩散热阻最小;④芯片与基板的中心距对LED模块的扩散热阻及芯片结温有着重要影响。对于LED多芯片封装模型,运用有限元仿真LED多芯片温度场分布,建立基板到空气热阻模型树,提出了直接求解多芯片热源扩散热阻方法,模拟不同热源位置对温度场分布的影响。研究结果表明:①对比直接法与间接法求解多芯片热源扩散热阻,结果验证了直接法的准确性;②运用MATLAB求解了多芯片模块温度场结果,验证了有限元仿真多芯片热源温度场分布的准确性;③分析不同基板尺寸对扩散热阻和总热阻的影响,结果表明随着基板面积的增大,扩散热阻逐渐升高,而总热阻却逐渐下降。因此在基板尺寸设计时,需要综合考虑导体热阻、空气对流热阻与扩散热阻,使总热阻达到最佳值。