【正文】 分析時(shí)，可以采用間接法進(jìn)行，即熱 — 應(yīng)力結(jié)構(gòu)耦合分析時(shí)，先 對(duì)封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱分析，然后將溫度分析得到的節(jié)點(diǎn)溫度作為“體載荷”施加到結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)上， 再施加位移約束 求解后就可以得到由于溫度分布不勻在結(jié)構(gòu)上所產(chǎn)生的熱應(yīng)力。 圖 LED 溫度場(chǎng)云圖 由于芯片為熱源，其對(duì) LED 的壽命有著至關(guān) 重要的作用。 本文中無(wú)論是在溫度場(chǎng)中，還是在應(yīng)力場(chǎng) （只需利用一條 APDL 指令便可將該單元轉(zhuǎn)為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元） 中，都選取合適的傳熱分析單元 Solid70。隨著封裝單位體積熱量迅速第 20 頁(yè) 共 38 頁(yè) 增加，為避免因熱而失靈，必須了解封裝的散熱能力。不合理的熱設(shè)計(jì)將會(huì)誘發(fā)一系列的問(wèn)題 :出現(xiàn)局部過(guò)熱，引起晶片結(jié)區(qū)的燒毀 。 K； ⑼ 由于芯片內(nèi)有源層的組成材料基本相同（都為 GaN，只是摻 雜材料不同而略有不同），且各層的厚度尺寸極其微小， 因此在這里把多層結(jié)構(gòu)整合為一個(gè)有源層 ； ⑽ 電極結(jié)構(gòu)也忽略不計(jì)。對(duì)所用模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化： 倒裝 芯片 封埋在上部透明環(huán)氧樹(shù)脂時(shí)在，芯片通過(guò)導(dǎo)電 銀漿與 32OAl 陶瓷 基板粘結(jié)在一起，而基板又由粘結(jié)劑與下面的 帶有 鋁質(zhì) 散熱片的 熱沉基座連成一體。吳慧穎等人利用有限元法對(duì) 1w 倒裝大功率白光 LED 的空間溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了模擬計(jì)算晰 [6]，模擬結(jié)果與測(cè)量的溫度分布相吻合，還研究了芯片尺寸與結(jié)區(qū)溫度的關(guān)系。深刻地熟悉 ANSYS 處理問(wèn)題的基本步驟，對(duì)于掌握 ANSYS 及其運(yùn)用 很重要。在執(zhí)行計(jì)算求解后，并將結(jié)果數(shù)據(jù)寫(xiě)入結(jié)果文件和數(shù)據(jù)庫(kù)中 ； ? 查看溫度分布 圖 。濃淡圖則用不同的顏色代第 17 頁(yè) 共 38 頁(yè) 表不同的數(shù)值區(qū) (如應(yīng)力范圍 )，清晰地反映了計(jì)算結(jié)果的區(qū)域分布情況。通過(guò)友好的用戶界面，可以很容易獲得求解過(guò)程的計(jì)算結(jié)果并對(duì)其進(jìn)行顯示。 求解模塊可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析，熱分析是其中的一個(gè)分析計(jì)算模塊，程序可處理熱傳遞的三種基本類(lèi)型 :傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射 。 Ansys 軟件主要包括三個(gè)部分 :前處理模塊，求解模塊和后處理模塊。此外，還可以分析相變、有內(nèi)熱源、接觸熱阻等問(wèn)題。 ANSYS 軟件是集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和耦合場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件，涵蓋了機(jī)械、航空航天、能源、交通運(yùn)輸、土木建筑、水利、電子、生物、醫(yī)學(xué)和教學(xué)等諸多領(lǐng)域在熱問(wèn)題的處理上，通過(guò)對(duì)實(shí)際器件的離散化處理，把溫度場(chǎng)的分析轉(zhuǎn)化成對(duì)節(jié)點(diǎn)方程組的求解，代入邊界條件、負(fù)載情況和材料屬性，求解方程組，最后利用圖形技術(shù)顯示運(yùn)算結(jié)果，即直觀地看出溫度分布。 ANSYS 軟件含有多種分析能力，包括從簡(jiǎn)單線性靜態(tài)分析到復(fù)雜非線性動(dòng)態(tài)分析。 下面在 節(jié)中，將著重介紹 FEM 中 具有代表性 的 有限元模擬 軟件 —ANSYS。而 由于受到芯片工作溫度的限制，芯片只能在 120℃以下工作， 熱輻射非常微弱， 因此器件的熱輻射效應(yīng)基本可以忽略不計(jì)，傳導(dǎo)和對(duì)流 是 LED 散熱比較重要 的方式 。 圖 不同流體在不同條件下的對(duì)流換熱系數(shù) h ⑶ 熱 輻射 原理 絕對(duì)溫度零度以上的任何物體，都會(huì)不停地以電磁波的形式向外界輻射能量，同 時(shí)第 15 頁(yè) 共 38 頁(yè) 不斷吸收來(lái)自外界其他物體的輻射能。 根據(jù)熱對(duì)流公式町以發(fā)現(xiàn)熱量傳遞的數(shù)量同熱對(duì)流系數(shù)、有效接觸面積和溫度差成正比關(guān)系；熱對(duì)流系數(shù)越高、有效接觸面積越大、溫度差越高，所能帶走的熱量也就越多。與此同時(shí)，密度較大的冷空氣下降并代替原來(lái)的受熱空氣。 ⑵ 熱對(duì)流原理 熱對(duì)流是指固體的表面與它周?chē)佑|的流體之間，由于溫差的存在引起的熱量的交換。 ⑴ 熱傳導(dǎo) 原理 熱傳導(dǎo)可以定義為完全接觸的兩個(gè)物體之間或一個(gè)物體的不同部分之間由于溫度梯度而引起的內(nèi)能交換。與其他固體半導(dǎo)體器件相比， LED 器件對(duì)溫度的敏感性更強(qiáng)。 它是基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元計(jì)算各 節(jié)點(diǎn)的溫度，并導(dǎo)出其他物理參數(shù)。而大功率 LED在較小的封裝中要處理較高的能量 ，如若不能將大量的熱量散出去，會(huì)加速芯片的老化，還可能導(dǎo)致焊錫的融化，使芯片失效 。 而 LED 在工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱效應(yīng)對(duì)其發(fā)光效率、 PN 結(jié)的正向偏向、光色、光能量和壽命都有著重要的影響。我們知道環(huán)氧樹(shù)脂存在一個(gè)玻璃轉(zhuǎn)換溫度，如圖 所示。 LED 熱效應(yīng)對(duì)光色 的影響 一般情況下，常溫下的光色最為純正，當(dāng) Pn結(jié)溫度發(fā)生變化時(shí)， LED 的主波長(zhǎng)也會(huì)產(chǎn)生一定的變化，即 LED 的光色也會(huì)發(fā)生一定變化。 LED 熱效應(yīng)對(duì)光能量的影響 LED 光通量的輸出隨著 Pn結(jié)溫度的升高而單調(diào)下降。 LED 熱效應(yīng)對(duì)發(fā)光效率的影響 當(dāng)溫度 T上升時(shí)，頻率為 v 的光子輻射躍遷幾率隨著溫度的升高而減小，從而降低了芯片自身的發(fā)光效率。本征激發(fā)很快增加，本征激發(fā)的載流子濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雜質(zhì)濃度，本征激發(fā)占支配地位， pn 結(jié) 的歐姆接觸電阻隨著溫度急劇下降。溫度每升高 10℃， Is 約增加一倍。以下的部分將對(duì)熱效應(yīng)對(duì) LED 產(chǎn)生的影響進(jìn)行討論。在外加電場(chǎng)作用下，電子與空穴的輻射復(fù)合而發(fā)生的電致作用將能量的 20%一 30%轉(zhuǎn)化為光能 (量子效應(yīng) )，而無(wú)輻射復(fù)合產(chǎn)生的晶格振 蕩將其余 70%一 80%的能量轉(zhuǎn)化為熱能。當(dāng)嶺 V0 時(shí)， Pn 結(jié)反偏，這時(shí)引入另外一個(gè)表征 I 一 V特性的關(guān)鍵指標(biāo)反向漏電流 Ir，一般定義為當(dāng) LED 的反偏電壓為一 SV時(shí)，流過(guò) LED 兩端的電流。隨著瓦級(jí)大功率 LED 的研發(fā)，國(guó)外學(xué)者認(rèn)為以 LED 的光衰減百分比數(shù)值作為壽命的依據(jù)，如 LED 的光衰減為初始亮度的 35%，壽命大于 60000 小時(shí)。 LED 發(fā)光亮度隨著長(zhǎng)時(shí)間工作而出現(xiàn)光強(qiáng)或光亮度衰減現(xiàn)象被稱為老化。目前采用電流擴(kuò)散層、高低電阻系數(shù)層、厚窗口層等方法可以促使電流擴(kuò)散，提高 pn 結(jié)發(fā)光效率，利用布喇格反射層、透明襯底、表面電極吸收。 由于流明效率除了和 LED 的外量子效率有關(guān)外，還與人的視覺(jué)函數(shù)有關(guān)，因此，對(duì)于發(fā)可見(jiàn)光的 LED 而言，其流明效率較量子效率更受關(guān)注。 發(fā)光效率 發(fā)光效率幾是 LED 的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，用 lm/W 來(lái)表達(dá)。由于 LED 在不同的空間角度光強(qiáng)相差很大，因此發(fā)光強(qiáng)度是一個(gè)同半有寬度和光強(qiáng)角分布聯(lián)系密切的特征參數(shù)。若能產(chǎn)生可見(jiàn)光（波長(zhǎng)在 380nm 紫光～ 780nm 紅光），半導(dǎo)體材料的 Eg應(yīng)在 ～ 之間。復(fù)合產(chǎn)生的能量以光或者熱的形式發(fā)散出來(lái)。在正向電壓下，電子由 N 區(qū)注入 P 區(qū)，空穴由 P 區(qū)注入 N 區(qū)。大功率 LED 的封裝結(jié)構(gòu)要求具有低熱阻，散熱良好和低機(jī)械應(yīng)力，在散熱結(jié)構(gòu)上可采用大面積芯片倒裝結(jié)構(gòu)，金屬線路板結(jié)構(gòu)，導(dǎo)熱槽結(jié)構(gòu)或微流陣列結(jié)構(gòu)等封裝結(jié)構(gòu)。但大功率 LED 產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng) LED，所以大功率 LED 若采用傳統(tǒng) LED 的封裝結(jié)構(gòu)，將會(huì)因散熱不良而導(dǎo)致芯片結(jié)溫迅速上升，并引起環(huán)氧樹(shù)脂碳化變黃，從而造成器件的光衰加速最后導(dǎo)致失效，甚至?xí)蚩焖俚臒崤蛎浰a(chǎn)生的應(yīng)力造成器件開(kāi)路而報(bào)廢。 第 8 頁(yè) 共 38 頁(yè) COBLED 是一種通過(guò)粘膠劑或爆料將 LED 芯片直接粘貼到 PCB 板上，再通過(guò)引線鍵全實(shí)現(xiàn)芯片與 PCB 板間電互連的封裝技術(shù)。 圖 LED 封裝技術(shù)和結(jié)構(gòu)發(fā)展 引腳 式 LED 常用直徑在 35mm 的封裝結(jié)構(gòu)，主要用儀表顯示或指示。在襯底上依次鍍上 nGaN、 nAlGaN、 InGaN、 pAlGaN、 pGaN 等，再經(jīng)過(guò)劃片、封裝等一系列工藝過(guò)程才能夠完成。下面我們將分別介紹 LED 的結(jié)構(gòu)、發(fā)光原理、主要參數(shù)性能、發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)。 本章小結(jié) 在本章中，著重討論了本課題的來(lái)源、選題的目的和意義 、國(guó)內(nèi)外對(duì) LED 散熱的研究 及應(yīng)用前景。然則對(duì)于大功率 LED 的優(yōu)化設(shè)計(jì)， 一般來(lái)說(shuō)，工作量巨大且煩瑣、重復(fù)性強(qiáng)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而大功率 LED 照明對(duì)現(xiàn)代社會(huì)亦越發(fā)重要，因 此研究大功率LED 的散熱，并對(duì)其封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)， 減少對(duì)芯片的危害，提高大功率 LED 壽命，對(duì)能源 及材料 的節(jié)約不言而喻。但也是因?yàn)閼?yīng)用技術(shù)門(mén)坎較高，并受限于亮度不足，因此， 預(yù)計(jì)到 20xx 年時(shí)才可能出現(xiàn) LED 車(chē)頭燈商品化的產(chǎn)品。預(yù)計(jì)在未來(lái) 5年內(nèi) LED 在照明市場(chǎng)應(yīng)用將取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展 [7]。 而 25lm 的光通量對(duì)于普通照明而言太小了，一只普通的 60W 白熾燈的光通量大于 700lm，也就是說(shuō)，要代替?zhèn)鹘y(tǒng)照明需要多個(gè) LED 器件，還要加上電路、燈殼、燈頭以及其它散熱處理等，如此高的成本是白光 LED 在普通照明中應(yīng)用的最大問(wèn)題。 市場(chǎng)與應(yīng)用前景 20xx 年全球高亮度 LED 市場(chǎng)規(guī)模從 20xx 年的 27億美元增長(zhǎng)到 37 億美元，增幅達(dá)37％。目前出現(xiàn)銅鋁復(fù)合型散熱器，即底部為銅，散熱片為鋁，具有良好的散熱性能和經(jīng)濟(jì)性?，F(xiàn)在常用的散熱器材料主要是 鋁和銅。 風(fēng)冷散熱器的原理很簡(jiǎn)單：芯片耗散的熱量通過(guò)粘接材料傳導(dǎo)到金屬底座上，再傳導(dǎo)到散熱片上，通過(guò)自然對(duì)流或強(qiáng)制對(duì)流把熱量散發(fā)到空氣中。 (a)正面出光大功率 LED 芯片結(jié)構(gòu)圖 (b)倒裝焊大功率 LED 芯片結(jié)構(gòu)圖 1GaN； 2藍(lán)寶石； 3粘接材料； 4基板 1藍(lán)寶石； 2GaN； 3焊接層； 4Si 襯底； 5粘接材料； 6基板 圖 正裝與倒裝焊 LED 芯片結(jié)構(gòu)示意圖 ⑶ 使用散熱器 目前常用于功率電子設(shè)備的散熱技術(shù)有風(fēng)冷、水冷、微管道散熱、熱管技術(shù)等。 第 4 頁(yè) 共 38 頁(yè) 錢(qián)可元、鄭代順等人 [4]提出，倒裝焊結(jié)構(gòu)在降低熱阻，提高器件散熱能力方面具有潛在的優(yōu)勢(shì)。而采用倒裝結(jié)構(gòu)，光由透明的藍(lán)寶石襯底發(fā)出。 ⑴ 采用倒裝焊 為了提高功率型 LED 器件的散熱能力和出光效率， 常常從芯片的制作上，采用 倒裝焊芯片結(jié)構(gòu)。良好的可靠性能，不僅在于節(jié)省了人力成本，也節(jié)省了使用者的維護(hù)成本與商業(yè)效益。而 LED 的散熱問(wèn)題是影響 大功率 LED 發(fā)展的瓶頸問(wèn)題之一， 現(xiàn)在全世界都在對(duì) LED 散熱進(jìn)行研究，并且也出現(xiàn)了很多不同的散熱方法，每一種散熱方式和理論都有它的優(yōu)越性，同時(shí)也都有一些局限性，低熱阻，散熱良好的產(chǎn)品是大功率 LED 的未來(lái)發(fā)展方向，對(duì)散熱技術(shù)的研究如何從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面將不同的散熱技術(shù)整合優(yōu)化，達(dá) 到一個(gè)相對(duì)最佳的狀態(tài)，從而滿足大功率 LED 對(duì)散熱的要求，是對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出的一個(gè)挑戰(zhàn)，如何通過(guò)優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高 LED 散熱的效率是研究的主要目標(biāo)和方向。一方面功率越做越大， LED 封裝結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜；另一方面 LED 的體積越來(lái)越小，導(dǎo)致功率密度愈來(lái)愈大。 LED 封裝技術(shù) 是決定 GaN 基 LED 進(jìn)入普通照明領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，并直接影響到 LED 的使用性能和壽命，一直是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。 我國(guó) 也 以 20xx 年北京奧運(yùn)會(huì)和 20xx 年上海世博會(huì)為契機(jī)，推動(dòng)半導(dǎo)體燈在城市景觀照明中的應(yīng)用。 與此同時(shí)，世界各國(guó)也一直在努力尋找更新的照明光源，新型的照明光源 LED（ Light Emitting Diode，發(fā)光二極管）發(fā)光產(chǎn)品在照明和裝飾領(lǐng)域逐漸受到世人的矚目。 第五章 LED 的封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 主要對(duì)軟件 ANSYS 優(yōu)化模塊的具體運(yùn)用，完成對(duì)芯片溫 度、結(jié)構(gòu)重量和 應(yīng)力的優(yōu)化，使 LED 達(dá)到合理的封裝結(jié)構(gòu)。 對(duì)于 LED 取代傳統(tǒng)光源，節(jié)約能源有重要意義， 對(duì)于 LED 實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。隨著芯片技術(shù)的日益成熟，單個(gè) LED 芯片的輸入功率可以進(jìn)一步提高到5W 甚至更高，因此防止 LED 的熱量累積變得越來(lái)越重要。除節(jié)能與環(huán)保外， LED 照明還具有響應(yīng)速度快、無(wú)頻閃、長(zhǎng)壽命、無(wú)輻射、無(wú)電磁干擾、無(wú)有毒氣體等優(yōu)點(diǎn)。 Structural optimization目 錄 引言 ....................................................... 1 1 緒論 ..................................................... 2 概述 .................................................................. 2 課題來(lái)源 ............................................................ 2 課題的提出 .......................................................... 2 課題的目的和意義 .................................................... 3 國(guó)內(nèi)外大功率 LED 散熱研究 .............................................. 3 市場(chǎng)與應(yīng)用前景 ........................................................ 5 本文的主要研究?jī)?nèi)容 .......................