基于多孔微热沉的大功率LED封装散热技术及相关理论研究

LED具有节能、环保及寿命长等优点而成为高新技术领域研究热点。针对大功率LED具有高热流通量、表面温度及温差要求严格控制的特点，本课题组提出多孔微热沉系统来解决大功率LED散热封装需求。采用格子－Boltzmann方法研究微尺度多孔介质中微尺度效应、边缘效应及端部效应，探讨不同尺度微多孔介质内流动与传热机理；建立多孔微热沉及LED芯片全三维固液耦合模型，研究微热沉耦合传热性能与传热极限，并进行强化换热及优化设计；对大功率LED芯片阵列热相互作用机理及优化设计方法进行研究；建立多孔微热沉系统分布参数模型，进行系统仿真，寻求各部件之间的最佳匹配关系；对大功率LED进行封装点亮试验，热沉传热热流达到300W/cm2以上。本项目的研究具有重要应用和科学价值，其成果将为微多孔介质内流动与传热机理增添新理论，同时将为LED照明技术商业化应用及解决电子器件高热流密度散热问题提供理论依据和和技术指导。

课题组提出了多孔微热沉系统的散热技术来满足大功率LED散热封装的需求，分析了多孔微热沉系统的工作原理及传热特性，通过用Lucas –Washburn 方程对毛细管液柱内液体的受力情况进行分析，第一次指出了毛细芯高度对系统稳定性的影响，获得了相变毛细管中流体上升高度与毛细管半径以及热流密度的关系式，并分别对压降与毛细芯界面高度位置的关系和影响界面高度的参数进行了研究；建立了多孔微热沉多孔芯内的流动传热的数学模型并进行数值求解，探讨了微热沉结构尺寸、进、出口条件与位置、孔隙率等参数对多孔微热沉传热性能以及散热表面温度均匀性的影响；在微元上研究系统的流动与传热特性，对各部件建立匹配耦合关系，构造微分方程求解模型，对系统各部件建立数学模型，编制仿真软件，进行了动态仿真计算，得出各节点的温度、压力和流量等参数；建立多孔微热沉LED芯片阵列的全三维固液耦合数学模型，包括LED芯片阵列、多孔区域、基板以及流体、芯片区域的全三维固液耦合数学模型，研究微热沉与LED芯片阵列相互间的传热机理以及温度的不均匀性对LED芯片阵列的影响规律，对不同参数下多孔微热沉的传热能力进行评估，同时探讨由于系统内的温度分布所引起的芯片温度的波动对芯片可靠性的影响。对多孔微热沉进行多参数结构优化设计，达到强化传热的目的，实现更高热流密度的换热，同时使换热表面的温度水平低、温度分布更加均匀，从而满足大功率LED优良的散热封装要求。对不同尺度的多孔微热沉搭建了实验测试平台，进行传热实验以及大功率LED阵列的点亮和长期稳定性试验，完成了优化微热沉后的LED芯片阵列的功率为150w、200w及300w的点亮和长期试验，利用1.5m积分球和LED光色电测试系统，测试大功率LED阵列的相对光谱功率分布，色温，光通量，辐射功率等参数。研究表明，多孔微热沉具有传热热阻小、传热效率高及散热表面温度均匀的优点，能够实现高热流密度的散热，有效的解决大功率LED阵列散热的难题。.课题组已完成了项目提出的研究内容，达到了既定的目标，发表论文9篇，其中SCI/EI收录6篇，另有2篇国际期刊论文正在审稿中，联合培养3名研究生。