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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:葉建男
研究生(外文):Jiam-Nan Yeh
論文名稱:大功率LED散熱系統研究
論文名稱(外文):Research of the High Efficient LED Heat-dissipating System
指導教授:吳士傑
指導教授(外文):Shi-Jie Wu
學位類別:碩士
校院名稱:義守大學
系所名稱:機械與自動化工程學系碩士班
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:67
中文關鍵詞:晶片溫度熱沉
外文關鍵詞:Junction TemperatureCFDLEDHeat Sink
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大功率白光LED是一種新型半導體固體光源,有著一系列的優點,但是隨著LED功率的增大,LED晶片散發的熱量越來越多,LED的散熱問題越來越突出。本文的目的是研究大功率白光LED的散熱問題,並爲其設計熱沉,解決晶片功率不斷增大帶來的散熱問題。
本文爲大功率白光LED晶片及晶片組設計了多種型式的熱沉,用CFD軟體Fluent模擬計算了晶片溫度分佈,分析了熱沉結構及材料、粘接材料、環境溫度等因素對晶片溫度及熱阻的影響。
爲單晶片LED設計的幾種熱沉,增加鰭片數量,增大了散熱面積,有利於降低晶片結溫。爲12晶片LED設計的A系列熱沉,隨著熱沉和鰭片厚度增大,晶片溫度略有降低,但熱沉重量會明顯增加,B系列熱沉最適宜的內圓柱直徑和最適宜的鰭片間距分別爲10mm和1.5mm,C系列熱沉最適宜的內圓柱直徑爲7mm。增加鰭片數量,增大A系列和C系列鰭片長度,增大C系列熱沉的外圓柱直徑,增大B系列熱沉的鰭片直徑,都增大了熱沉的面積,晶片溫度顯著降低。
結果表明,使用相同的熱沉,粘接材料的導熱率越大,厚度越薄,晶片溫度越低。粘接材料的導熱率大於5w/ (m•℃)時,增大其導熱率對晶片溫度影響不大。熱沉材料導熱率較小時,晶片溫度隨熱沉材料導熱率的增大而急劇減小,導熱率增大到250W/(m•℃)時,隨熱沉材料導熱率的增大,晶片溫度減小的幅度減緩。晶片溫度隨環境溫度的增加線性升高,熱阻不受環境溫度的影響。
High-power white LED is a new semiconductor solid state lighting which has advantages in several aspects. However, as the power of LED increases, LED generates more heat, and cooling gets more important. The purpose of this paper is to study the cooling of high-power LED chips and modules and to design and optimize heat sinks.
Various kinds of heat sinks are designed for LED chips and an extensive numerical investigation of the heat sink design performance is conducted by CFD package Fluent. The effects of heat sink structure and material, adhesive and environment temperature are investigated.
Concerning the single chip LED, Heat sinks with more fins lead to lower junction temperature because of larger surface. Concerning the 12 chips module, with the heat spreader and fins for A category heat sinks thicken, the junction temperatures decrease slightly but the weights increase sharply which lead to waste the material. The optimized inner column diameter and gap width are 10mm and 1.5mm respectively for B category heat sinks and that the optimized inner column diameter is 7mm for C category heat sinks. Increasing the surface of heat sink leads to better thermal performance in terms of junction temperature.
It can be seen that the higher the thermal conductivity of the adhesive, the thinner the thickness of the adhesive, the higher the thermal conductivity of the heat sink materials, the lower the junction temperature and junction-ambient thermal resistance are. As the ambient temperature increases, the junction temperature increases linearly while the junction ambient thermal resistance changes little.
中文摘要I
英文摘要III
誌謝V
總目錄VI
圖目錄IX
表目錄XI
第一章 緒論1
1.1 引言1
1.2 LED簡介2
1.2.1 LED的發展歷史2
1.2.2 LED的發光原理4
1.2.3 LED的特點及應用7
1.3 LED結溫8
1.3.1 結溫對LED性能的影響9
1.3.2 常用加快LED散熱的方法11
1.4 本文的研究內容及意義14
第二章 傳熱基本原理及CFD理論基礎16
2.1 傳熱基本原理16
2.1.1 熱傳導原理16
2.1.2 熱對流原理18
2.1.3 熱輻射原理18
2.2 CFD理論基礎20
2.2.1 CFD概述20
2.2.2 CFD數值模擬步驟21
2.2.3 CFD通用商業軟體21
2.2.4 能量運輸方程 22
2.2.5 微分方程的數值解法23
2.2.6 邊界條件25
第三章 單晶片LED熱分析27
3.1 LED單晶片結構27
3.2 CFD計算過程27
3.2.1 建立計算模型 27
3.2.2 網格劃分28
3.2.3 邊界類型確定28
3.2.4 Fluent求解器的設定29
3.3 計算結果及探討 30
3.3.1 不同鰭片數量的熱沉對晶片溫度的影響30
3.3.2 不同鰭片長度的熱沉對晶片溫度的影響32
3.3.3 鰭片排列不同的熱沉對晶片溫度的影響34
3.3.4 粘結材料不同對晶片溫度的影響36
3.3.5 熱沉材料不同對晶片溫度的影響37
3.4 本章模擬結果38
第四章 大功率LED晶片組熱分析及熱沉設計39
4.1 大功率LED晶片組結構39
4.2 熱沉結構40
4.3 A系列熱沉模擬結果及分析41
4.3.1 熱沉厚度對晶片溫度的影響43
4.3.2 鰭片數對晶片溫度的影響43
4.3.3 鰭片長度對晶片溫度的影響44
4.3.4 鰭片厚度對晶片溫度的影響44
4.4 B系列熱沉模擬結果及分析45
4.4.1 內圓柱直徑對晶片溫度的影響47
4.4.2 鰭片直徑對晶片溫度的影響47
4.4.3 鰭片數對晶片溫度的影響48
4.4.4 鰭片間距對晶片溫度的影響48
4.5 C系列熱沉模擬結果及分析49
4.5.1 內圓柱直徑對晶片溫度的影響50
4.5.2 鰭片直徑對晶片溫度的影響51
4.5.3 鰭片長度對晶片溫度的影響52
4.5.4 鰭片數對晶片溫度的影響52
4.6 其他因素對晶片溫度的影響53
4.6.1 環境溫度對晶片溫度的影響53
4.6.2 加載功率對晶片溫度的影響54
4.6.3 晶片間距對晶片溫度的影響55
4.7 本章模擬結果56
第五章 結論與未來展望57
參考文獻58
圖目錄
圖1-1 pn結注入發光能帶圖5
圖1-2 異質結注入發光能帶圖6
圖1-3 (a)量子井注入發光原理;(b)量子井電子勢能分佈6
圖1-4 LED壽命與結溫的關係10
圖1-5 正裝與倒裝焊接LED晶片結構示意圖11
圖1-6 晶片溫度分佈剖面圖12
圖1-7 風冷熱沉示意圖12
圖2-1 定態一維熱傳導示意圖17
圖2-2 熱對流分析圖18
圖3-1 LED晶片及基板的物理模型27
圖3-2 單晶片熱分析模型網格28
圖3-3 模型邊界條件30
圖3-4 不同鰭片數量的熱沉30
圖3-5 不同鰭片數量熱沉的溫度分佈31
圖3-6 不同鰭片數量的熱沉對LED晶片溫度的影響31
圖3-7 不同鰭片長度的熱沉32
圖3-8 不同鰭片長度的熱沉溫度分佈33
圖3-9 不同鰭片長度的熱沉對LED晶片溫度的影響34
圖3-10 鰭片排列不同的熱沉34
圖3-11 鰭片排列方式不同時的溫度分佈35
圖3-12 鰭片排列不同的熱沉對LED晶片溫度的影響35
圖3-13 粘結材料的熱導率對晶片溫度的影響37
圖4-1 12晶片結構物理模型39
圖4-2 不同類型熱沉結構40
圖4-3 A系列熱沉數值模擬模型41
圖4-4 A系列熱沉溫度41
圖4-5 不同鰭片長度時熱沉厚度對晶片溫度的影響43
圖4-6 不同鰭片長度時鰭片數對晶片溫度的影響43
圖4-7 不同熱沉鰭片數時鰭片長度對晶片溫度的影響44
圖4-8 不同鰭片長度時鰭片厚度對晶片溫度的影響44
圖4-9 B系列熱沉數值模擬模型45
圖4-10 B系列熱沉溫度45
圖4-11 不同鰭片數量時內圓柱直徑對晶片溫度的影響47
圖4-12 不同鰭片數量時鰭片直徑對晶片溫度的影響47
圖4-13 不同鰭片直徑時鰭片數量對晶片溫度的影響48
圖4-14 不同鰭片數量時鰭片間距對晶片溫度的影響48
圖4-15 C系列熱沉數值模擬模型49
圖4-16 C系列熱沉溫度49
圖4-17 不同鰭片長度時內圓柱直徑對晶片溫度的影響51
圖4-18 不同鰭片長度時鰭片直徑對晶片溫度的影響51
圖4-19 不同鰭片直徑時鰭片長度對晶片溫度的影響52
圖4-20 不同鰭片長度時鰭片數量對晶片溫度的影響52
圖4-21 環境溫度與晶片溫度和熱阻的關係53
圖4-22 加載功率與晶片溫度和熱阻的關係54
圖4-23 晶片間距對晶片溫度的影響55
表目錄
表3-1 各元件的材料屬性29
表3-2 不同粘結材料的熱導率36
表3-3 採用熱沉材料不同時的晶片溫度37
表3-4 加載功率為10W時的晶片溫度38
表4-1 A系列熱沉尺寸及模擬結果42
表4-2 B系列熱沉尺寸及模擬結果46
表4-3 C系列熱沉尺寸及模擬結果50
表4-4 不同環境溫度的模擬結果53
表4-5 不同加載功率時的模擬結果54
表4-6 不同晶片間距下晶片溫度的模擬結果55
中文部份
[1]沈俊宏,2008,“高功率LED散熱模組之專利分析與熱傳導模擬”,碩士論文,和春技術學院。
[2]呂宗蔚,2007,“高亮度LED散熱系統之熱傳及效益研究”,碩士論文,國立成功大學。
[3]林威任,2007,“無扇式LED背光板之熱計算-使用有限元素法”,碩士論文,國立交通大學。
英文部份
[1]Kuckmann, O., 2006, “High power LED arrays special requirements on packaging technology,” in Proc. of SPIE The Int. Soc. for Optical Engineering, Vol. 6134, pp. 613404(1)-613404(8).
[2]Narendran N, Gu Y. Life of LED-based white light sources [J]. J. Display Technol., 2005, 1(1):167-171.
[3]Steranka F, Bhat J, Collins D, et al. High power LEDs - technology status and market applications [J]. Phys. Stat. Sol. (A), 2002, 194(2): 380-388.
[4]Su Da, Wang Demiao. Technical research on heat-release packaging of high-power LEDs [J]. Semiconductor technology, 2007, 32(9):742-744.
[5]Zhang HY, Pinjala D, Poi-Siong T. Thermal management of high power dissipation electronic packages: from air cooling to liquid cooling, 2003 electronics packaging technology conference, 2003:620-625.
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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