半导体白光照明技术采用大功率发光二极管(LED)作为发光元件,具有体积小、重量轻、功耗低、效率高、耐冲击、寿命长和长期成本低等优点,是21世纪半导体技术发展与突破的关键,将带动整个第三代宽禁带半导体技术的发展。大功率LED工作时超过80％的输入电功率转变为热,从而导致器件温度升高,影响LED的光通量、寿命以及可靠性,并会导致出射光线色坐标发生漂移,严重影响器件的光学性能。因此,对大功率LED进行热特性研究对提高大功率LED器件性能和应用产品可靠性,加快半导体照明时代的到来具有深远的意义。 本文对大功率白光LED的热特性进行系统研究。在总结大功率LED热设计思路的基础上提出大功率LED的封装热阻计算模型,并进行热阻的理论计算；研制出快速热阻测量仪,为大功率LED热特性测试分析方法提供新手段；通过对LED产品进行热阻曲线测试与分析,提出长期热可靠性的快速检验方法；使用ANSYS软件对常用的两种粘接材料进行热仿真,比较其热机械性能；针对荧光粉层在大功率白光LED发光中的重要作用,提出采用聚酯丙烯酸酯作为荧光粉热保护材料的新封装结构。 本文在传统传热理论基础上对其基本方程和大功率LED工作时边界条件适度修正和合理假设,并结合微纳传热理论,提出新的传热方程。通过求解方程可得封装热阻模型。此热阻模型反映封装后的芯片的内部散热机制,能快速计算不同尺寸,封装材料的LED产品热阻。 本文在大功率LED的热特性研究基础上,通过温度敏感参数电学特性测量,研制出新型快速热阻测量仪器。仪器可测量结温变化,进而计算大功率LED的热阻。仪器基于2004年国家公布实施的“发光二极管测试方法”,采用具有高速数据采集能力的NI DAQmx数据采集卡,精确的记录在一定测量条件下的大功率LED动态特性,并通过LABVIEW平台的编程,实现测量过程的控制和测量数据的处理,从而建立自动高效的大功率LED热特性分析系统。 运用自主研制的热阻测试系统,对大量不同厂家不同封装结构的大功率LED进行测试分析。测试结构表明垂直结构LED具有最佳散热特性；采用纳米银浆作为粘接材料比采用锡膏热阻降低2K/W以上。采用聚酯丙烯酸酯材料作为延缓荧光粉热老化材料后,器件热阻仅稍微增加。使LED大电流工作不同时间及跟踪热阻测量,所得热阻曲线可作为器件长期热可靠性判断依据,为具体应用提供指导。 本文采用有限元分析方法,利用ANSYS软件,对大功率LED芯片封装结构进行了建模仿真。仿真结果表明：采用纳米银浆比采用锡膏作为芯片粘接材料,可以使芯片在工作时的结温降低,并具有更佳热机械性能。仿真还表明采用聚酯材料后,荧光粉层的温度下降超过3℃。 从保护荧光粉的角度出发,提出一种新的封装结构与工艺流程。芯片工作时产生大量的热量,会加速荧光粉的老化。与传统的将荧光粉与灌封胶混合后直接涂在芯片上的涂敷方式区别,在涂敷荧光粉之前涂敷一层透明、低热导率、坚韧的聚酯丙烯酸树脂材料在芯片裸片上,使荧光粉在工作时得到热保护,从而有效改善荧光粉的热老化问题。具体实验表明,加入聚酯材料后,LED初始光通几乎不变；整体散热能力变化在2％范围之内；同等时间老化后,LED光衰得到改进。热隔离材料的应用使LED的寿命和可靠性得到提高。