发光二极管LED（Light Emitting Diode）具有节能、环保、寿命长三大优势，是继白炽灯、荧光灯之后的新一代绿色光源，目前正逐步取代传统光源，渗透到人们的日常生活当中。但目前LED的发光效率仍处于较低水平，主要原因首先是由于半导体材料的折射率较高，大部分辐射光线在芯片内部产生全反射，最终被吸收转化成热量；其次是LED对温度敏感，产生的热量将引起内部量子效率的降低。因此本文针对上述问题，对基于微机械加工的LED芯片表面加工强化出光微结构进行优化，提高LED的光提取效率；同时针对LED封装及系统级热结构进行详细的研究与优化，主要研究内容如下：（1）LED芯片表面强化出光结构优化基于对GaN材料微观机械性能的综合分析，在垂直结构LED芯片表面，提出采用微切削加工的方式进行强化出光微结构加工的方案，并确定采用尺寸范围为0.5μm-2μm的四棱台型强化出光结构；搭建机械加工实验系统验证了微机械加工可行性；针对四棱台结构中的槽宽w、平台宽wt和槽深d三个参数进行优化，依次采用光线模拟正交实验和数学建模的方式，得出最优的强化出光微结构参数为w=2.6μm，wt=0.35μm，d=0.95μm；通过LED器件的出光效果模拟发现加工强化出光微结构后，LED器件的总出光效率提升了51%，并通过测量证实。（2）LED封装级光热结构优化经研究发现固晶焊接层结构是影响LED器件封装热性能的关键因素，固晶层中空洞的分布将直接影响LED的结温；本文采用X-ray重构的方式建立固晶焊接层模型，利用ANASY Icepak进行典型固晶层结构下LED器件的热性能有限元模拟，发现外延层的温度分布与空洞的分布吻合，在空洞处存在热点，且合格的Au/Sn共晶焊接LED器件具有最佳热学性能；通过热阻结构测量技术发现焊接层的接触热阻占固晶层整体热阻的50%以上；通过LED器件光通量及寿命测试发现不良的焊接层结构可能会造成光效与可靠性的降低。（3）大功率LED光源散热系统优化设计根据典型翅片散热系统的热阻网络分析得出热扩散及翅片散热是影响其性能的主要因素；针对热扩散问题，设计了一款多支路回流型均热板，实验测试发现其最低热阻为0.033K/W，并在热流密度达到300W/cm2时可正常工作，但其只适合用于热量高度集中的LED芯片集中封装光源；针对翅片散热系统，设计了三款翅片散热器，采用模拟的方法对翅片间距进行优化，并通过实验对各散热器的工作角度进行了研究与优化；采用工作于最优角度的垂直翅片散热器，可实现功率为180W的LED光源系统结温仅为72℃。（4）LED光源系统优化性能分析综合LED光源系统中芯片至系统级的光热结构优化结果，结合不同光提取效率时，LED实际的结温，根据结温对LED出光性能影响的实际测量结果，分析强化出光微结构与散热优化结构结合后，LED光源系统的总体出光效果。研究发现优化后LED发光功率达到121lm/W，系统总热阻仅为0.29K/W。