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随着电子技术的飞速发展,电子器件趋向于高度集成化和微尺度化。微系统中保证器件互连的界面结构越来越多,能量在传输的过程中势必会部分消耗于界面处。由此,热设计必然会成为电子器件中一项非常重要的工作。在节能减排的浪潮下,LED凭借节能、环保、无污染等优点作为一颗新星引领照明行业的发展。目前LED的光电转换效率仅为20%-30%,其70%-80%的能量以热能的形式存在,这严重阻碍着LED的广泛应用,因此LED热可靠性问题成为亟待解决的难题。纳米技术的发展促进新材料技术的进步,其中低维纳米结构的石墨烯材料凭借其在热学、力学、光学和电学等方面优异的特性被引起极大的关注。在热学方面,通过对石墨烯纳米带和石墨烯复合材料进行理论研究和数值模拟,加深对其热传导物理机制的理解,使其在电子器件中的应用成为可能。本文以LED为研究对象,针对其散热可靠性问题,首先采用宏观过程的理论计算和实验手段分析LED系统的热传输特性,然后在微纳尺度下利用非平衡态分子动力学方法来探寻适合于LED的高导热界面散热材料,最后进行LED灯具的MD/FE多尺度模型计算。本论文所做的主要工作和取得的研究成果如下：1.基于系统结构建立功率型LED传热数学模型,搭建LED热瞬态测试系统,理论计算和实验测试LED在冷板不同位置处的传热特性。利用Flotherm热分析软件建立LED理论数学模型,研究冷板上不同位置的LED温度分布,分析结温和基板厚度之间的关系；搭建LED热瞬态测试系统,抽取积分结构函数和微分结构函数,测试得到A、B、C和D不同位置的总热阻分别为26.19K/W、26.45K/W、26.94K/W和27.06K/W。通过对数值仿真结果和实验结果进行对比,揭示热量传输通道上界面处导热材料的热影响作用,这为寻求高导热界面材料或新型界面结构提供理论依据。2.构建缺陷型石墨烯纳米带的热学理论传输模型,计算不同条件和不同状态下热导率值,计算并绘制石墨烯纳米带的局部位置声子谱,分析热传输机制,为LED器件高效传热界面结构设计制造寻找新型材料基础。利用Material Studio软件构建缺陷型石墨烯纳米带的数学理论模型,采用LAMMPS软件进行分子动力学计算模拟。利用非平衡态分子动力学方法研究水平方向和垂直方向上缺陷位置对单层石墨烯纳米带的热传输影响。当垂直距离为1.065nm时,在水平方向上缺陷位置由左向右移动的过程中,热导率下降到最小值73.17W/mK后,逐渐增加到80.09W/mK;同时分析五种不同垂直距离的情况,研究发现定性依赖关系为先减小再增大,呈浴盆曲线变化趋势。当水平距离为4.059nm时,在垂直方向上缺陷位置由下向上移动的过程中,热导率呈现先增加再减小的周期性变化趋势。计算并绘制不同位置的声子谱,通过声子匹配度分析认为水平方向上缺陷位置在温度较低的边界处声子不能穿过缺陷,温度和声子频率增加,高频声子发生隧道效应。缺陷在垂直方向上对热导率的影响小于水平方向上的影响,同时垂直方向上表现出周期性变化趋势,分析认为这主要与石墨烯纳米带的手征锯齿特性相关。3.构建石墨烯／硅界面异质热传输理论模型,研究温度、尺寸和掺杂对石墨烯异质结构的传热特性的影响,为LED器件高效传热界面结构设计制造寻找新型热传输模式及匹配法则。利用Material Studio软件构建石墨烯／硅异质界面理论模型,采用分子动力学方法来研究石墨烯／硅界面的热传输特性。研究发现在温度处于300K-800K时,理想异质结构的热导率整体呈现下降趋势,但在300K～500K时,此时的热导率却呈现上升的趋势,即理想接触界面热导率呈现先缓慢上升再下降的趋势,具有一定的温度依赖性。当异质结构接触面积缺陷为3%时,此时的传热特性与理想异质结构相似。随着接触面积缺陷的增加,整体呈现下降趋势。当异质结构接触面积缺陷达到35%时,分析认为温度的上升使热导率下降的主要原因是石墨烯声子ZA模式和硅表面波的耦合。在尺寸方面,建立不同宽度的异质结构模型,在模拟尺寸范围内发现异质结构的热导率远远小于单层或多层不同手型的石墨烯纳米带的热导率值。当异质结构宽度为2.71nm时,异质结构表面热导率随尺寸增加而增大,呈现尺寸效应。在100nm左右时,影响趋势变小,获得理想异质结构热导率指数函数关系。通过对不同缺陷比例的异质结构进行边缘硼和氮的掺杂,发现随着缺陷比例的增大,使得掺杂后的异质结构热导率呈现下降趋势,且硼原子的掺杂对异质结构传热特性的影响要明显大于氮原子掺杂的影响,分析认为原子质量的不同造成一定程度的晶格振动非简谐效应。4.进行LED关键界面结构多尺度数学模型计算,模拟并对比分析三种不同界面材料时不同对流系数和输入功率下LED的散热特性；通过对LED灯具结构进行MD/FE多尺度模型计算,研究发现当石墨烯结构材料作为界面材料时,LED灯具的稳态温度下降约8.4%。对流系数增加时,石墨烯材料和锡合金焊料对灯具结温的影响趋势相似,而导电银浆的作用远远小于两者。同时,功率的增加急剧降低LED产品的寿命。该研究成果为LED产品的结构设计提供一种新型结构。