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大功率LED用微槽平板热管基板的灌封与热性能测试

李聪明  
【摘要】:LED具有发光效率高、寿命长、节能环保等优点,正在逐步取代传统光源。由于约70%的输入功率会转化成热、存在热斑问题以及仅能单方向传热,结温升高会引起发光特性的改变和缩短使用寿命。对于1瓦至数十瓦的大功率LED,其输入功率增大,发热引起的问题更为显著。针对大功率LED需要高效散热的问题,研究基于相变传热原理微槽平板热管来替代传统散热基板,能够控制结温的升高。微槽平板热管由硅片上的微槽道提供工质运动的动力,工质的气液两相流动规律与微槽道结构的关系目前尚不明晰;在微热管的制作过程中,由于其内积仅为60~100μL,精确的工质灌注难以保证;此外,由于微热管尺寸较小,需要研究新方法以准确快速地测量微热管的性能。针对微槽平板热管在以上设计、制作和测试中仍存在不足的问题,本文对微槽群结构平板热管的设计和改进、微升量级工质的灌注和密封、传热特性的测试等开展研究。主要内容如下:(1)基于MEMS加工工艺,设计和制作了亚微米级的微槽群结构。为强化微槽毛细牵引力并快速带走热源的热量,以三角形/矩形微槽结构为基础,采用MEMS加工工艺,制作了梯形、分段平行、电铸铜柱等多种微槽群结构,阐述了工艺制作过程和微槽平板热管散热基板的封接方法。通过数值仿真,对微槽平板热管内部的压力和温度变化以及工质流动特性进行研究,结果表明沿轴向形成压力梯度有助于强化传热,并且最佳灌注率约为40%。(2)研究了微槽平板热管的精确灌注方法。微槽平板热管的工质灌注量小于100μL,负压下的流速和压力出现震荡,使得灌注量精度难以控制。通过对工质流动特性的仿真分析,提出“蠕动泵缓冲-隔离式工质灌注”的方法,减小了压力变化引起的不连续气塞-液塞流,实现工质的精确分配和灌注,灌注的最大偏差为1.2μL。(3)针对聚合物密封微热管会因材料的真空放气产生不凝性气体而降低传热性能,同时易形成密封凸点不利于集成制造和应用的问题,提出基于低熔点合金的密封方法。结合低熔点合金的冷膨胀性能,设计了辅助密封沟道,控制基板的温度梯度,实现低熔点合金在沟道内的定点冷凝,利用低熔点合金凝固后与沟道壁面产生的膨胀力,实现可靠密封。由于密封点均在微热管内部,因此采用该方法封装的热管表面无凸起。结合“蠕动泵缓冲-隔离式工质灌注”和低熔点密封,形成灌封工艺新方法,为微槽平板热管散热基板的集成制造提供基础。(4)研制了微槽平板热管热性能测试系统,实验研究了微槽尺寸和灌注率等热管参数、倾斜角和热负载等工况对其性能的影响。针对接触式热电偶传感器不易布置于LED模组表面以及存在热平衡延时会影响微槽平板热管传热特性测试的问题,设计了适用于微槽平板热管的非接触红外测温装置,通过环境温度补偿修正了 LED辐射热引起的温度漂移,通过发射率修正提高了测温精度。并研究了静态和动态特性,结果显示测温精度为1.5 ℃、达到稳定值95%的响应时间约为30ms,为传热特性的动态分析提供了基础。(5)研究了灌注率、微槽结构尺寸、工作倾斜角等因素对传热特性的影响。根据不同灌注率的测试实验结果绘制温度等高线图,并结合数值仿真结果,探究了微槽平板热管的最佳灌注率。微槽结构尺寸、热负载和倾斜角等影响因素的对比实验结果表明,提高微槽结构的深宽比有助于工质回流,传热能力明显提高;集成了放射形结构散热基板的大功率LED模组平衡温度约为40℃,平衡时间约为60s,实现了对大功率LED结温的有效控制。


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