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硅基微热管传热性能优化及其应用

于贝珂  
【摘要】:高功率LED可以在车头大灯、街灯、室内照明和景观灯等场合应用,具有驱动电压低、体积小、寿命长以及能效高等优势,是很有前景的人工光源。但是现有研究水平下,其70%-85%的输入电能都转化为了无用的热,加之LED芯片体积很小,依靠自身散热困难,导致其结温升高,进而影响其寿命和可靠性。因此,大幅度提高LED散热速度,是高功率LED广泛使用过程中亟需达到的目标。平板微热管和均热板是一类基于气液两相流的被动传热器件,近年来被用于控制LED器件的结温方面。但是这类器件的微小化也为其制造带来困难。另一方面,由于微器件的尺度效应,表面特性对其传热性能影响增强。本文采用硅作为LED和平板微热管集成制造中的基板材料,Pyrex7740玻璃与硅基板静电键合实现微热管的封接。硅基板的一侧是刻蚀的沟道,起到吸液芯的作用;另一侧是LED芯片的固晶电极,由此实现LED和微热管的一体化。为了提高微热管的传热性能,采用了贝壳型盖板和在沟道表面沉积石墨烯两种优化方法。其中贝壳型盖板可缩短液态工质从凝结到落回沟道的时间,而石墨烯改性的表面具有疏水性,选择性在热管的冷凝段沉积石墨烯,可促进热管工质的循环。本文还针对3W LED模组,设计并制造了集成LED芯片和热沉的均热板。搭建了测试平台对研制的传热器件进行传热能力测试,其中微热管使用恒温水作为冷却装置,测试环境为真空。测试结果表明,当输入功率从1W变化到5W时,贝壳型盖板微热管蒸发段的温度总是低于平盖板微热管的,当输入功率为5W时,贝壳型盖板微热管的蒸发段温度比平盖板微热管的低7.8℃;沉积石墨烯微热管的蒸发段温度比无石墨烯微热管的蒸发段温度低7.3℃。所设计制造的集成均热板尺寸为28.0mm×14.60mm×7.3mm,重量不超过5g,使用测试平台对其进行散热性能测试,在室温为20-C,无强制风冷条件下,仅依靠集成的热沉来散热。测试结果表明,其垂直热阻可以达到小于1°C/W,输入功率为3W时,芯片附近最高温度可控制在65℃以下,实现了对3W高功率LED模组的有效散热,综上所述,本文设计制造了应用于高功率LED器件散热的LED-微热管一体化模组和集成均热板。测试实验证明,所设计的贝壳型微热管盖板和沉积石墨烯硅基板都可以提高微热管的传热效率。同时,针对3W LED的集成均热板也能实现较好的散热效果。上述研究结果对高功率LED器件的热管理具有一定的借鉴意义。


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