大功率LED芯片集成封装用均热板形变调控机制与性能分析

本项目以大功率LED芯片（包括单颗及多颗芯片）封装散热难题为切入点，以均热板设计制造中共性科学问题为突破口：（1）研究高可靠性均热板制造工艺及制造尺度极限，探索在坯板、热扩散等工艺过程中误差分配准则及稳健性设计方法。（2）研究不同结构均热板长时间在高温度工况中蠕变本构关系，揭示蠕变过程构件几何特征变化机制及其对回复量的影响机理。（3）研究在大尺寸、超薄条件下均热板结构参数对毛细压力、表面润湿性、相变、流动及传热性能等的影响规律。研制出高可靠性、高性能封装用均热板，解决均热板高温应用时的形变问题。以期在大功率LED芯片封装热控制领域通过本课题的研究取得具有自主知识产权的源头性创新成果、完成关键科学问题的突破和理论创新；本项目对促进大功率LED芯片封装技术进步及其在路灯、汽车前大灯、微投影显示等领域的应用，对我国节能减排目标的实现及发展低碳经济等都具有重大意义。

本项目以大功率LED芯片集成封装用铜质均热板为研究对象，共研究了两种封装工艺的均热板——热扩散焊型均热板和压扁成型均热板。热扩散焊型均热板采用两块壳板通过扩散焊形成封闭腔体，其吸液芯结构包括：放射状铜粉烧结型吸液芯（MPVC）、带有铜粉烧结支撑柱的凸台状铜粉烧结型吸液芯（CPVC）、泡沫铜吸液芯（CFVC）和齿状铜粉烧结型吸液芯（GPVC）；压扁成型均热板则采用圆柱型热管压扁工艺成形，其吸液芯结构为复合结构，包括：单弓形铜粉烧结-沟槽结构（MASGVC）、双弓形铜粉烧结-沟槽结构（BASGVC）、丝网烧结-沟槽结构（MGVC）。本项目分别研究了两种均热板的稳健制造工艺，优化了其工艺路线及工艺参数；研究了其制造及工作过程中宏观形变规律；对吸液芯结构进行了SEM观测，从微观角度分析吸液芯的传热性能。压扁成型均热板在汽车LED前大灯中实现批量应用。研制出均热板制造的部分关键设备。.对于热扩散焊型均热板，通过有限元仿真优化其支撑柱的布置，增强系统刚度；设计风冷传热性能测试系统，测试在不同工况（热流密度、工作角度、冷却水温）及工艺参数（充液率、铜粉粒径、三维结构）下的传热性能，并对均热板热阻网络进行理论分析。实验表明，铜粉烧结支撑柱+纯铜支撑柱的结构能有效提高均热板刚度；充液率为120%的CFVC启动最快，均温性最好，热阻最小；采用较小粒径铜粉烧结的均热板在高热流密度和热源功率下，传热性能提升较为明显；较高的冷却水温与合适的工作角度，能帮助减小均热板的热阻值；MPVC传热性能较CPVC更佳，具体表现为MPVC工作时，热源温度较低、热阻较小。.对于压扁成型均热板，优化了其内部吸液芯的布置，提出双弓形及单弓形的吸液芯形状；设计水冷传热性能测试系统，研究了充液率和吸液芯结构对于传热性能的影响规律。实验表明，铜粉烧结-沟槽结构的最佳充液率为70%，丝网烧结-沟槽结构则稍大，为80%；当样品充液率偏离最佳充液率时，均热板极限传输功率降低；在未达到传热极限之前，适当提高充液率有利于提高传热性能，但蒸发热阻和冷凝热阻会随充液率的增加而稍有增加；比较三种不同的吸液芯结构，MASGVC整体温差最高，BASGVC整体温差最低；在最佳充液率下，MASGVC蒸发热阻最低，MGVC冷凝热阻最低。