利用纳米银烧结工艺制备大功率LED，重点探究了纳米银键合层的界面热阻及器件发光性能。通过将纳米银膏在不同温度下烧结，系统地研究了烧结温度对纳米银烧结后电阻率及接头剪切强度的影响，并分析了烧结后银膏的晶体结构及接头断口微观形貌。结果表明，接头键合强度和银膜导电率均随纳米银烧结温度的升高而增大。实验中还对比分析了纳米银烧结LED和传统锡银铜（SAC305）焊膏封装LED的界面热阻、结温以及发光性能。与纳米银烧结LED样品相比，传统焊膏封装LED的界面热阻和结温分别提高了8.9%和29.6%，说明纳米银键合层拥有更好的导热性并可及时为芯片散热降温。此外，通过高温老化实验，深入探讨了不同焊膏烧结LED的界面热阻及发光效率变化。实验表明，经过100 ℃下点亮500 h，纳米银和传统焊膏烧结LED样品的总热阻分别增大了0.03 K/W和4.28 K/W，但纳米银键合层界面热阻比老化前有所降低，同时纳米银烧结LED样品在不同电流下的发光效率始终高于传统焊膏封装LED样品。

采用高温真空烧结技术制备了0.5% Ce∶Y3Al5O12(简称Ce∶YAG)透明荧光陶瓷,在透射模式下分别采用大功率蓝光发光二极管(LED)芯片(3.2 V×0.3 A)激发和LD蓝光光源(0.8 W,1.6 W)激发,系统研究了陶瓷厚度(0.3~2.3 mm)和表面粗糙度(322.86 nm,9.79 nm)等对照明原型器件的色温、显色指数和光电转换效率等发光性能的影响。结果表明,陶瓷表面有一定粗糙度可使原型器件的发光性能整体提高,其中用粗糙度为322.86 nm的 Ce∶YAG透明陶瓷组装的原型器件分别获得了93.6 lm/W(蓝光LED激发)和178.5 lm/W(蓝光LD激发)的高光电转换效率。研究表明,通过调节Ce∶YAG透明陶瓷的厚度和表面状态,可有效提升高功率密度固态照明器件的发光性能。

为了研究采用微槽群复合相变换热技术的大功率太阳花散热器多角度投光的方向效应及综合散热性能, 实验研究了散热器高度、功率以及采用微槽群复合相变换热技术后的过余温度、平均对流换热系数随出光倾角的变化规律, 并获得了出光倾角的Ra与Nu关联式。研究结果表明: 出光倾角小于90°时, 微槽群散热器热源过余温度大幅低于型材散热器, 在高度为90 mm, 出光倾角为30°, 输入功率为80,100,120,200 W时热源温度分别降低了11.6,13.3,18.9,26.7 K, 呈现出功率越大降幅越大的趋势; 出光倾角大于90°时, 微槽群散热器热源过余温度略高于型材散热器, 原因是微槽群散热器内部的真空环境影响散热器的均温性; 输入功率越高, 方向效应越明显; 散热器高度越低, 平均对流换热系数越大, 对比高度60 mm与高度90 mm, 在出光倾角为0°时, 功率为80,100,120 W时分别提高了27.5%、23.8%和24.2%。因此, 设计LED灯具散热器时应综合考虑散热器的方向效应。

为了改善蓝光大功率LED芯片p电极处的电流拥挤现象, 提高大功率LED芯片的外量子效率, 在ITO透明导电层与p-GaN间沉积插指型SiO2电流阻挡层。采用等离子体增强化学气相沉积的方法沉积SiO2薄膜, 再经过光刻和BOE湿法刻蚀技术制备插指型SiO2电流阻挡层。采用SimuLED仿真软件分析插指型SiO2电流阻挡层对大功率LED芯片电流扩展性能的影响, 研究插指型SiO2电流阻挡层对大功率LED芯片外量子效率的影响。结果发现, 插指型SiO2电流阻挡层结构可以有效改善p电极附近的电流拥挤现象。与没有沉积插指型SiO2电流阻挡层的大功率LED芯片相比, 光输出功率得到显著的提高。在350 mA的输入电流下, 沉积插指型SiO2电流阻挡层后的大功率LED芯片的外量子效率提高了18.7%。

为构造大功率LED激发Cy3/Cy5荧光染料的均匀面照明系统,选择单芯大功率LED芯片PT54TE设计了红绿双通道匀光照明阵列。首先通过分析单芯大功率LED芯片PT54TE辐射强度的分布,建立大功率LED环形照明阵列的模型;然后为提高光线利用率,在LED外侧建立柱面镜反射结构,并通过斯派罗法则求解该结构的参数;最后由Tracepro仿真验证。研究表明,分别由4颗红/绿PT54TE构成的环形阵列在目标平面(30 mm×30 mm)内的光照均匀度大于95.4%,光通量大于700 lm,比未配置柱面镜反射结构的环形阵列的光通量至少提高了52.5%。

从高功率LED理论模型分析着手, 分别从芯片级、封装级和系统级三个层面归纳和总结了LED热管理的最新研究进展。研究发现: 芯片倒装结构及合理的阵列方式有利于散热；性能优良的封装材料和翅片的优化能有效降低热阻；选择适当的二次散热方式也是提高散热效率的关键。

介绍了一种加速老化试验模型对LED模块进行寿命预测。分别采用纳米银焊膏、锡银铜焊料、导电银胶作为芯片粘结材料。控制环境温度和正向电流, 在特定的时间测量光输出。比较了不同粘接材料及环境温度对LED老化过程的影响, 并针对老化过程进行分析推导, 建立老化数学模型, 对其进行寿命预测。试验结果表明, 纳米银焊膏粘接的模块对温度的抗性最好, 纳米银焊膏有潜力在未来固态照明、投影和其他高功率器件领域得到应用。

为了研究荧光粉发热对大功率LED器件热特性的影响, 设计了五种不同荧光粉涂敷方式的大功率LED器件, 利用ANSYS软件建立热力学模型进行仿真。将模拟与实测结果进行比较, 结果表明, 铝基板底部的实测温度、透镜顶部的实测温度、芯片的计算结温与加荧光粉热载荷的模拟温度更相近, 不加荧光粉热载荷条件下的模拟温度要低于加荧光粉热载荷的模拟温度和实测温度, 并且荧光粉涂敷的量以及涂敷的方式对芯片结温、铝基板底部温度、透镜顶部温度都有影响。

为解决大功率LED 的散热问题, 提出一种应用于大功率LED散热的微型回路热管, 研究了充液率和倾斜角度对热管冷却大功率LED的启动性能、结温和热阻等特性的影响。研究结果表明: 热管的最佳充液率为60%, 系统的总热阻为7.5K/W, 此时对应的热管的热阻为1.6K/W; 热管的启动时间约为6.5min, LED的结点温度被控制在42℃以下, 很好地满足了大功率LED的结温稳定性要求。