【正文】 源，保護環(huán)境，提高照明質(zhì)量。 一方面， 提高 LED 散熱 能力 ， 可以防止故障的發(fā)生， 對照明的正常使用、代替?zhèn)鹘y(tǒng)明明等方面有著重要的作用。 在如今能源日益缺少、大功率 LED 日漸普及的大背景下，研究大功率 LED 的散熱，對其進行優(yōu)化設(shè)計， 增大其散熱能力， 提高其壽命， 改善其電光轉(zhuǎn)換效率，從而更加適應(yīng)現(xiàn)代社會的可持續(xù)發(fā)展就有很大的意義。傳統(tǒng)的正裝結(jié)構(gòu) LED 二極管 P電極上鍵合焊點和引線對光線的遮擋影響光提取效率，大約 30N 的光被 P電極吸收。倒裝結(jié)構(gòu)有效地解決了 P 電極對光的吸收和散熱問題，使大電流、大功率的 LED 成為可能。采用熱導(dǎo)率更高的粘接材料，同時減小粘接材料層的厚度，可以顯著降低倒裝焊LED 的熱阻，提高器件的散熱能力。如圖第 5 頁 共 38 頁 [5] 散熱器的示意圖。要在允許的溫度條件下將芯片耗散的熱量傳遞到大氣環(huán)境，可以采取下列方法加強傳導(dǎo)和對流散熱。相比較而言，銅的導(dǎo)熱率比鋁的大，許多散熱能力超強的散熱器均采用純銅打造。散熱器的肋片越多，其散熱表面積 越大，這樣熱量可以散發(fā)得更快。在普通照明市場上，也具有強大的市場潛力，但是受限于白光 LED 的發(fā)光效率和價格因素，在普通照明市場的占有率還比較低，因為要獲得與白熾燈、熒光燈等相同的照度，整個照明系統(tǒng)的成本很高。 美國、日本等國家和臺灣地區(qū)對 LED 照明效益進行了預(yù)測，如果美國 55％的白熾燈及 55％的日光燈被 LED 取代，每年可節(jié)省 350 億美元電費，減少 億噸二氧化碳排放量；日本 100％白熾燈換成 LED，可減少 1～ 2 座核電廠發(fā)電量，每年能節(jié)省 10 億公升以上的原油消耗；臺灣地區(qū) 25％白熾燈及 100％的日光燈被白光 LED 取代，每年可以節(jié)省 110 億度電；中國如果在 20xx 年 LED 照明能夠占領(lǐng)我國 1/3 的照明市場，每年就第 6 頁 共 38 頁 可以節(jié)約 1000 億度電，相當(dāng)于一個多的三峽電站發(fā)電量。隨著采用 LED 燈的車輛逐年增加，預(yù)計今后每年的增長率為兩位數(shù)， 20xx 年時市場規(guī)模將突破 億美元。但是隨著大功率高亮度 LED 技術(shù)的飛速發(fā)展，一旦解決了在技術(shù)和成本上的問題，將會對傳統(tǒng)的照明光源提出挑戰(zhàn)， LED 成為普通照明光源的時日會越來越近。通過對制約散熱的條件闡述，研究設(shè)計 LED 的 封裝 結(jié)構(gòu)，最終達到優(yōu)化散熱系統(tǒng)，達到產(chǎn)品設(shè)計對溫度的要求，提高 LED 產(chǎn)品光效，提高 LED 產(chǎn)品使用壽命的目的。 針對 這種情況，本文提出直接在有限元分析軟件 ANSYS 的平臺上，實現(xiàn)功率 LED 封裝結(jié)構(gòu)幾何建模參數(shù)化、網(wǎng)格劃分的參數(shù)化、施加載荷的參數(shù)化， 在對熱場模擬仿真 （溫度場和應(yīng)力場） 的基礎(chǔ) 上 ， 并利用 ANSYS 的優(yōu)化設(shè)計模塊進行相關(guān)優(yōu)化。 2 大功率 LED 的基礎(chǔ)理論 LED 的簡介 LED 是英文 Light Emitting Diode（ 發(fā)光二極管 ）的縮寫 ，是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光?，F(xiàn)在用于制造白光 LED 的材料主要是氮化鎵 (GaN)。 為了保護 LED 芯片不會因受機械、熱、潮濕及其它的外部沖擊，同時確保芯片和電路間的電氣和機械性的正確接觸，以及考慮其光學(xué)方面的特性，所以要對 LED 進行封裝。 具體而言，就是用特定的工具或設(shè)備將芯片引腳對準(zhǔn)預(yù)先涂覆了粘接劑和焊膏的焊盤圖形上，然后直接貼裝到未鉆安裝孔的 PCB 表面上，經(jīng)過波峰焊或再流焊后，使器件和電路之間建立可靠的機械和電氣連接。 SIPLED 封裝技術(shù)不僅可以在一個封裝內(nèi)組裝多個發(fā)光芯片，還可以將各種不同類型的器件集成在一起。綜合電流注入效率，輻射發(fā)光量子效率，芯片外部光取出效率等，最終大概只有 10%一20%的輸入電能轉(zhuǎn)化為光能，其余 80%一 90%的能量主要以非輻射復(fù)合發(fā)生的點陣振動的形式轉(zhuǎn)化為熱量，溫度升高，會增加非輻射復(fù)合，進一步消弱發(fā)光效率，并且 LED 芯片面積小，因此 ，芯片散熱是大功率 LED 封裝必須解決的關(guān)鍵問題，因此在封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計上主要包括芯片布置，封裝材料選擇 (基板材料，熱界面材料 )與工藝，熱沉設(shè)計等。它具有一般 PN 結(jié)的特性，即正向?qū)?通， 反向截止 、擊穿特性。 第 9 頁 共 38 頁 圖 LED 發(fā)光機制 假設(shè)發(fā)光是在 P 區(qū)中發(fā)生的，那么注入的電子與價帶空穴直接復(fù)合而發(fā)光，或者先被發(fā)光中心捕獲后，再與空穴復(fù)合發(fā)光。由于復(fù)合是在少子擴散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近 PN 結(jié)面數(shù)微米以內(nèi)產(chǎn)生。 LED 的主要性能參數(shù) 發(fā)光強度 發(fā)光強度是用來表征 LED 在特定發(fā)光方向的單位立體角的發(fā)光強弱，通常用法向光強來表示，位于法向方向光強最大，其與水平面交角為 90 度。對于光通量相同的 LED，角度越大，對應(yīng)的發(fā)光強度越小，但由于光強角分布的不 同，光強和半角寬度二者之間沒有一個固定的函數(shù)關(guān)系 。 內(nèi)量子效率和外量子效率都反映了 LED 的光電轉(zhuǎn)換效率。隨著能量損耗相關(guān)效率的逐步提升， LED 器件流明效率也朝著其極限值 — 光譜流明效率逐步提高。在19701990 年 LED 的發(fā)光效率提高得很慢， 199020xx 年則提高得很快 。 測量 LED 的壽命要花很長時間，通常以以下方法測量 ：給 LED 通以電流密度為 j 的恒流源，先測得 0B ，再點燃 310 ～ 410 小時后，測得 B（ 310 ）和 B（ 410 ），代入公式求得 ? ；再令 B(t)= 0B /2 代入公式，即可求得 LED 的壽命。由于核心部分均為 PN 結(jié)，所以 LED 的 IV特性和普通二極管大致一樣，也具有非線性、整流性質(zhì) :單向?qū)ㄐ?，?Pn 結(jié)正偏時表現(xiàn)低接觸電阻，反偏時表現(xiàn)為高接觸電阻，如圖 所示 [l2]，其中 b點對應(yīng)于 LED 的正向開啟電壓氣， c 點對應(yīng)于 LED 的反向擊穿電壓 K，不同的 LED對應(yīng)的開啟電壓也不同，如 GaAs 為 I v,GaAsP 為 ， GaP 為 ， GaN 為 。 反向擊穿區(qū) :如普通半導(dǎo)體二極管一樣， LED 也存在反向擊穿現(xiàn)象，當(dāng) V代時，隨著 V 逐漸減小，會出現(xiàn) LED 電流反向急劇增大，而 V減小的變化很小的現(xiàn)象 [l2]。 對于瓦級 (≧ lw)高功率 LED 而言，芯片尺寸僅為 lmmxlmm～ ，也就是說芯片的功率密度很大，如果不能及時散熱，不僅會對 LED 本身產(chǎn)生影響，而且會給整個產(chǎn)品帶來困擾。恒流驅(qū)動時， pn 結(jié)電壓與溫度具有良好的線性關(guān)系?！?T 隨溫度升高而減小，但不如 Is 隨溫度升高得快，因此 Pn 結(jié)的正向驅(qū)動電流隨溫度的上升而增大，從而促使 Pn 結(jié)溫度更高，造成惡性循環(huán) 。因此，為了保證 Pn 結(jié)正常工作，就有一個最高工作溫度的限制。此外，除了溫升會導(dǎo)致芯片自身的發(fā)光效率降低，還伴隨著溫升，導(dǎo)致芯片的發(fā)射波長和熒光粉的激發(fā)波長不匹配而降低 了熒光粉的激射效率，進一第 12 頁 共 38 頁 步地降低了白光 LED 的發(fā)光效率。通常 GaN 基的 LED 的光通量與 pn 結(jié)溫度的關(guān)系為負線性關(guān)系，而AIGalnP 基的 LED 的光通量與 pn 結(jié)溫度的關(guān)系為負指數(shù)關(guān)系。對于白光 LED而言，隨著溫度的升高，發(fā)射光譜會發(fā)生紅移現(xiàn)象 ，因此， pn 結(jié)結(jié)溫每升高 10℃，主波長向長波長方向移動 2nm。 本章小結(jié) 本章中簡要介紹了 LED 的基礎(chǔ)理論知識， LED 是一種固態(tài)注入電致半導(dǎo)體器件，電子和空穴的復(fù)合產(chǎn)生光。 第 13 頁 共 38 頁 3 大功率 LED 熱分析基礎(chǔ) 理論 和 通用軟件 ANSYS 簡介 LED 發(fā)光是靠電子在能帶間躍遷產(chǎn)生的，其光譜中不含紅 外光， LED 的熱量不能靠輻射散出。 熱分析涉及的相關(guān)理論有傳熱理論和有限元分析軟件 ANSYS，下面簡單介紹之。熱分析往往不是獨立的，熱分析完成后可以進行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，計算由于熱膨脹或收縮引起的熱應(yīng)力等。傳導(dǎo)和對流對 LED 散熱比較重要。 熱傳導(dǎo)遵循傅立葉定律 : Q=? dT/dx 式中 Q 為熱流密度， ? 為導(dǎo)熱系數(shù)， dT/dx 為法向溫度梯度。 高溫物體表面常常發(fā)生對流現(xiàn)象。引起熱對流的原動力若為密度差 (溫度差引起 )，則此種熱對流稱為自然對流；引起熱對流的原動力若為外力因素 (諸如風(fēng)扇等 )，則此種熱對流稱為強制對流。 熱功率： P=hA T? ,則熱阻 R=hAT? =hA1 可知增大對流換熱系數(shù) h會減小對流引起的熱阻，其大小跟冷卻流體的類型、速度、接觸界 面以及流動方式等方面有關(guān)。 與其他固體半導(dǎo)體器件相比， LED 器件對溫度的敏感性更強。 利用第三類邊界條 件，金屬熱沉以對流的方式與外界環(huán)境發(fā)生聯(lián)系 nTk??1 s =h(eT aT ) 其中： h是對流系數(shù)； eT 是器件邊界面的溫度； aT 是環(huán)境溫度。還有一些專門用來進行熱分析的軟件，如FLOMERICS 公司的 flotherm 等。它包含了前處理、解題程序以及后處理和優(yōu)化等模塊，將有限元分析、計算機圖形學(xué)和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，已成為現(xiàn)代工第 16 頁 共 38 頁 程學(xué)問題必不 可少的有力工具。 在 ANSYS／ Multiphysics、 ANSYS／ Mechanical、 ANSYS／ Thermal、ANSYS/FLOTRAN、 ANSYS／ ED 五種產(chǎn)品中包含熱分析功能，其中 ANSYS／ FLOTRAN 不含相變熱分析。 文中 將采用 進行 LED 的熱分析，研究方法為有限元法，該方法已有實驗驗證了 LED 有限元模型與其真實器件之間的差別，證明其在誤差許可范圍內(nèi)是準(zhǔn)確可行的 [15]?，F(xiàn)今大部分的有限元分析模型都用實體模型建模。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱一結(jié)構(gòu)禍合分析能力。通用后處理模塊 POSTI，模塊對前面的分析結(jié)果能以圖形形式顯示和輸出。在本文中，由于 LED 在開始工作后，溫度場很快就穩(wěn)定，因此主要對 LED 進行穩(wěn)態(tài)熱分析。熱傳導(dǎo)、對流和輻射是散熱的三個基本途徑，而在本文中主要考慮前二者 ，可以將熱輻射忽略 。 等人論述了關(guān)于大功率 LED 器件級和系統(tǒng)級封裝過程中的熱問題 [16]，采用有限元法著 重比較不同芯片材料以及鍵合技術(shù)對 LED 散熱性能的影響。 LED 燈具封裝模型的建立 本文采用 Lumileds公司型號為 LXK2PWC40160的白光 LED倒裝焊接在覆有絕緣層的氧化鋁 基 MCPCB 為例，下加具有五個散熱片的散熱器，用來建立 進行熱分析的 LED 封裝結(jié)構(gòu)模型 。因此，模組的散熱包括三部分：模組各固體部件之間的熱傳導(dǎo)、散熱片與流體（空氣）之間的耦合傳熱、大氣的自然對流散熱。 K） 透鏡 芯片 82 導(dǎo)電銀漿 50 MCPCB 20 粘接劑 7 散熱片 （ 6061 鋁） 237 確立模型的各個尺寸大小后，利用 APDL 編寫有關(guān)程序后輸入 ANSYS 很容易建立起本文中的 LED 的模型，如圖 示 LED 燈具封裝穩(wěn)態(tài)溫度場及應(yīng)力場分析 本文將使用 ANSYS 軟件的熱分析模塊來討論在現(xiàn)有常見結(jié)構(gòu)下， 進行 LED 封裝 的穩(wěn)態(tài)溫度場和應(yīng)力場分析。材料熱膨脹系數(shù)不匹配引起熱應(yīng)力，產(chǎn)生彎曲、 裂紋，甚至破壞。 LED 燈具封裝穩(wěn)態(tài)溫度場分析 LED 封裝器件體積小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以 用實驗方法準(zhǔn)確測量其內(nèi)部溫度、應(yīng)力的分布，而用有限元分析可以預(yù)測器件內(nèi)部的溫度、應(yīng)力等物理量的變化。在散熱片的裸露 各 面上加上對流換熱邊界（這是是空氣的對流系數(shù)取 15 W/m此最高溫度 有些 高， 不但要高于 人們希望接受的 工作 溫度 60℃，而 且 接近 熒光粉的安全工作溫度 90℃，芯片長期在此溫度下工作， 可能使環(huán)氧樹脂劣化而導(dǎo)致出光 效率降低或顏色發(fā)生變化，從而 會大第 21 頁 共 38 頁 大減少燈具的使用壽命。 圖 LED 應(yīng)力云圖 與僅僅溫度場分析相比，除了要將熱單元轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)單元外，還要將從熱分析溫度結(jié)果文件（ *.rth）中讀入節(jié)點溫度。 故在后面的 優(yōu)化 中，會對應(yīng)力進行優(yōu)化， 以 減小此處 的應(yīng)力，以提高 LED 的使用 壽命 。在溫度場中， LED 的核心部分芯片的溫度較高，超出 人們所希望接受的 正常溫度 60℃，對 LED 的長期穩(wěn)定工作不利。 目前，結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計日益受到重視。而且，這又要考慮到 LED 燈具本身的重量 ，不能使LED 太笨重 。 有限元分析過程中幾乎所有的設(shè)計量，如厚度、長度、半徑等幾何尺寸、材料特性、載荷位置與大小等都可以用變量參數(shù)表示，只要改變這些變量參數(shù)的賦值就能獲得不同設(shè)計方案的分析過程。 優(yōu)化設(shè)計 介紹 優(yōu)化設(shè)計是一種尋找確定最優(yōu)設(shè)計方案的技術(shù)。 對于本文中的 LED 也是如此。 第 22 頁 共 38 頁 此章主要為后面 一章做準(zhǔn)備，以此說明對該大功率 LED 做封裝結(jié)構(gòu)的必要性。 對 LED 進行建模時，進行了一些簡化處理。 經(jīng)分析 ， 此種原因是由于在熱量往翅片傳導(dǎo)的過程中，向下的面積突然減小，導(dǎo)致應(yīng)力陡增。 LED 燈具封裝穩(wěn)態(tài)應(yīng)力場分析 在進行大功率 LED 的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力場