近十年来，由于GaN基LED具有高光效、好的可靠性、长寿命、可调颜色、低能耗、体积小、响应快以及不含汞等特点，LED已经在显示、指示、背光源、汽车、景观照明、道路照明和室内照明逐渐广泛应用。尽管光效远高于传统的光源，但输入的电能中仅仅只有20％-40％能够转化为光能并加以利用，大部分能量被转化为热能。热量的存在将严重影响LED的电压、效率、色飘和衰减，因此散热问题将成为大功率LED光源的瓶颈问题，它将影响LED的稳定性、可靠性和寿命。在大功率LED集成光源中，由于LED的集中使用，热问题更为突出。此外，为改善LED光利用效率和获得可控的光型，需要自由曲面光学设计等技术进行光学设计来实现光照调控。　　为快速而准确地预测LED集成光源中每一颗芯片的结温，一种基于傅里叶级数的解析解被提出。热学分析方法通常被分为两种:数值法和解析法。数值法可以运用到任意形状，但是它在描述温度曲线的时候只能使用直线。为得足够的精度，使用密集的离散网格是非常有必要的，而这项工作在计算上又是极其没有效率且对操作者有建模和模拟的专业知识要求。而解析法仅仅要求操作者输入几个关键数据而不需要专业的知识。在本论文中，一个Matlab程序被建立来计算热源面的温度分布和每一个芯片的结温。与数值模拟结果相比，芯片中最大的温度差为1.5DC和相对误差为3.6％。因此，傅里叶级数解析解是有效且准确的。此外，为改善封装中的热压应力，基于傅里叶级数解析解的优化方法被采用。优化结果显示该模型能够简单方便地算出优化的芯片位置分布。　　为最大程度地解决集成LED散热，导热系数高于170W/M.K的AlN陶瓷基板是更好的选择。AlN陶瓷基板的绝缘性，避免了Al基板中热导率较低的电绝缘树脂层，而该层的存在导致Al基板整体导热系数只有2-4W/M.K。相应地，AlN陶瓷基板高导热性也远优于开始逐步被采用的Al2O3陶瓷基板（导热系数20W/M.K左右）。在本论文中，Al基基板和Al2O3基基板被用来和AlN基基板进行比较。模拟结果显示使用AlN基基板能够获得更低结温。　　为得到更高的出光效率和可控的光型，一种基于非成像光学的自由曲面光学被提出。在传统的LED封装设计中，从LED侧面射出的光束没有被考虑进来，这会严重影响光学效率并致使LED的结温提高。因此，一种基于非成像光学的自由曲面反射镜被运用来改变侧面发出的光束的方向。同时，该方法用于对集成光源封装结构光利用效率提升设计，提出了AlN陶瓷基板MCOB封装结构。另一方面，为使扩展光源的光斑更均匀，一种迭代的方法被提出，扩展光源LED的光斑均一度从0.42提高至0.75.