LED封装与散热研究论文.doc

LED封装与散热研究
摘要：本研究旨在为高亮度照明LED的散热和封装提供一些理论与设备基础，以节约能源、保护环境、降低成本、提高灯具使用寿命推动高亮度白光 LED 的发展应用。
关键词：高亮度发光二极管，固体照明封装，散热
1 引言
本文的主要内容是针对白光 LED 在照明领域的应用市场，研发白光 HB-LED 芯片 的散热和封装技术。在第一章绪论中主要介绍了目前 LED 的发展状况，照明的优点及 可行性，分析了 LED 在国内外的发展现状和市场应用前景；在第二章中，主要介绍 LED 发光原理、HB-LED 芯片的制作工艺流程和芯片电极结构以及封装结构的演变过程；第 三章介绍了 LED 散热制冷的各种方式及其原理，包括风冷、热管、热电等制冷方式； 第四章介绍了 microjet 水冷方式，对减摩防粘进行了研究，并对 microjet 水冷进行了热 模拟；第五章利用 microjet 冷却系统，来对高功率 LED 进行制冷实验，与其他制冷方式 进行散热效果比较，并做了一些可靠性试验；最后一章给出了全文总结。
“绿色照明”是九十年代初国际上对节约电能、保护环境的照明系统的形象性说法。 绿色照明的科学定义为：绿色照明是指通过科学的照明设计，采用效率高、寿命长、安 全和性能稳定的照明电器产品（电光源、灯用电器附件、灯具、配线器材，以及调光器 件和控光器件），改善提高人们工作、学习、生活的条件和质量，从而创造一个高效、 舒适、安全、有益的环境并充分体现现代文明的照明。许多发达国家和部分发展中国家 先后制定了“绿色照明工程”计划，并取得了显著效果。照明的质量和水平已成为人类 社会现代化程度的一个重要标志之一，成为人类社会可持续发展的一项重要的措施。
作为固体光源的LED（Light Emitting Diode）发光二极管，真正点燃了“绿色照明” 的光辉，被认为是 21 世纪最有价值的新光源，将取代白炽灯和日光灯成为照明市场的主导，使照明技术面临一场新的革命，从而一定程度上改善人类的生产和生活方式。LED照明的应用前景在全世界都掀起了高潮，被寄予了厚望。而我国科技部有关领导提出：我们要以2008年北京奥运会和2010年上海世博会为契机，推动半导体灯在城市景观照明的应用。科技部“国家半导体照明工程”计划 2007 年半导体照明逐步取代白炽灯，2012年后取代荧光灯。据预测，在汽车尾灯、交通灯、公共设施以及家庭照明需求的带动下，2003-2007 年我国高亮度发光管芯市场规模将保 %的增长速度，到2007年我国高亮度 LED 管芯市场规模将会突破20亿元。
中国作为 13 亿人口大国，电力能源相对来说比较贫乏，并且随着经济的发展，人民生活水平的不断提高，照明用电在电力消费中占的比例逐年提高。进入九十年代，我国照明用电的增长在 15%以上，但是我国照明用电的结构中普通白炽灯仍占有极大的比例。我国人均拥有光源的数量仍比较低，与日本相比，灯的数量是日本的 倍，，而灯的平均光效率只是日本的 1/3。因此，我们在项目支持下，研究高亮度 LED 照明，以节约能源，保护环境，提高照明质量。
本文的主要内容是针对白光LED在照明领域的应用市场，研发白光 HB-LED 芯片 的散热和封装技术。在第一章绪论中主要介绍了目前LED的发展状况，照明的优点及可行性，分析了LED在国内外的发展现状和市场应用前景；在第二章中，主要介绍LED发光原理、HB-LED 芯片的制作工艺流程和芯片电极结构以及封装结构的演变过程；第三章介绍了 LED 散热制冷的各种方式及其原理，包括风冷、热管、热电等制冷方式；第四章介绍了 microjet 水冷方式，对减摩防粘进行了研究，并对 microjet 水冷进行了热 模拟；第五章利用 microjet 冷却系统，来对高功率 LED 进行制冷实验，与其他制冷方式 进行散热效果比较，并做了一些可靠性试验；最后一章给出了全文总结。
2 HB-LED 封装基础
HB-LED 发光原理以及结构
图1为LED发光机理图，发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能，能量大小为hγ（h为普朗克常数,γ为频率）而发出光子，该能量差相当于半导体材料的带隙能量Eg ( 单位：电子伏Ev) ,其与发光波长λ(单位：μm) 的关系为λ= ，因此通过选择不同的带隙宽度的材料，其发光谱可以从红外、可见光、以及紫外波段。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原