【正文】 下面本章進行逐一解決對 LED 封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。在應(yīng)力場中，翅片與基座的連接處的應(yīng)力較大。 由 LED 應(yīng)力云圖 可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在熱沉的邊緣 翅片與基座的相接處，由左上角的數(shù)據(jù)同時可看出其 最大應(yīng)力為 。 K，環(huán)境溫度取 25℃），最后計算。器件的熱特性直接影響到 LED 的節(jié)溫、發(fā)光波長、使用壽命等。 各封裝組件的主要尺寸：芯片為 l mm lmm 0 25mm；透鏡 (芯片上表面封裝用的透明樹脂 )為直徑 的半球；導(dǎo)電銀漿為 l mm lmm ；陶瓷基板為 15mm l5mm 2mm；粘結(jié)劑為 l5 mm l5 mm ；熱沉基座為 20 mm 20 mm 2 mm；翅片為 20 mm l6mm 1mm 所選 模型如下圖示： 第 19 頁 共 38 頁 圖 大功率 LED 模型 為方便進行熱分拆， 確定 出此次情形 條件 ： ⑴ 熱由芯片有源層產(chǎn)生，傳熱方 式主要為傳導(dǎo)和對流； ⑵ 又由于器件溫度處于 200 攝氏度 以下，因此又可將熱輻射忽略不計； ⑶ 該溫度場是三維、穩(wěn)態(tài)、有內(nèi)熱源、常物性、第三類邊界條件的導(dǎo)熱問題 ； ⑷ 因塑料透鏡導(dǎo)熱系數(shù)很小且體積相對芯片很大，所以常把透鏡設(shè)為絕熱邊界 ； ⑸ 考慮到大多數(shù)使用情況， 由于注入電功率為 2W，一部分 電功率轉(zhuǎn)化為光功率，所以耗散熱功率實際上小于 2W，取發(fā)熱效率為 75%（即發(fā)光效率為 25%）； ⑹ 器件滿足使用 ANSYS 軟件對之進行穩(wěn)態(tài)有限元熱分析的條件； ⑺ 最大結(jié)溫選擇為 120℃ ； ⑻ 封裝體外部各組件（包括 MCPCB、塑膠封裝、熱沉的外部）通過與空氣對流進行散熱； 在 LED 表面給定第三類邊界條件 —— 環(huán)境溫度為 25℃，自然對流空氣熱導(dǎo)率為15W/m 等人研究了大功率 LED 陣列模塊封裝中的各種熱問題 [17]，分析不同功率、間距、熱對流系數(shù)對整 個 LED 系統(tǒng)的散熱影響。 利用 ANSYS 軟件進行熱仿真的具體步驟如下 : ? 建立文件名和工作標(biāo)題 ：這項工作不是必須的，文件名是用來識別 ANSYS 作業(yè)的 ，標(biāo)題指定名稱； ? 選擇單元類型 ：每一種單元類型都有自己特定的編號和單元類型名，適用不同場合 ，在本文中就選擇 Solid70 單元 ； ? 定義材料性能參數(shù) ：在所有 的分析中都要輸入材料參數(shù)，根據(jù)分析問題的物理環(huán)境不同而不同 ； ? 建立幾何模型 ：可以在 ANSYS 中直接創(chuàng)建模型，也可以導(dǎo)入有關(guān)輔助軟件制作的模型 ； ? 賦材料屬性 ：只有對各體進行材料屬性的賦予后，才能進行計算分析 ； ? 劃分網(wǎng)格 ：有限元模型是將幾何模型劃分為有限個單元，單元間通過節(jié)點相連接，在每個單元和節(jié)點上求解物理問題的近似 ； ? 施加載荷并求解 ：定義分析類型和分析選項后，要加載 6大類載荷中的若干種，大部分可以施加到幾何模型上，也可以施加到有限元模型上。 后處理模塊一可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢 量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示 (可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部 )等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。 重要的是，本文就是利用 ANSYS 的優(yōu)化設(shè)計模塊進行有關(guān)封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。 在實際問題中，由于系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)、功率器件的分布、環(huán)境條件等兇素，采用傳統(tǒng)的數(shù)值分析方法分析熱力學(xué)問題往往比較煩冗。 對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的器件， 由于系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)、功率器件的分布、環(huán)境條件等因素， 直接求解方程級過于繁瑣，因此 在計算機上 使用 FEM 軟件 模擬計算空間溫度場的分布。圖 為不同流體在不同條件下的對流換熱系數(shù) h。這是因為高溫物體表面附件的空氣因受熱而膨脹，密度降低并向上流動。所以在進行散熱設(shè)計時主要先從熱傳導(dǎo)方面考慮，熱量預(yù)先從 LED芯片中傳導(dǎo)到散熱器。 LED 散熱基礎(chǔ)知識 熱力學(xué)分析 用于 計算一個系統(tǒng)或部件的溫度分布及其他熱物理參數(shù)，如熱量的獲取或損失、熱梯度、熱流密度（熱能量）等。發(fā)光強度、發(fā)光效率、壽命及 IV特性是 衡量 LED 性能的主要參數(shù)。 GaN 基 LED 的光通量隨 pn結(jié)溫度變化很小，如藍光 LED，當(dāng) Pn 結(jié)結(jié)溫在一 20℃一 120℃之間變化時，光通量的變化不到 10%，相反，對于 AIGalnP 基的紅光、綠光、藍光 LED 而言， pn 結(jié)溫度為 80℃時的光通量都只有結(jié)溫為 25℃時的 50%[13]。通常 LED 的 Pn 結(jié)安全工作溫度為 120℃。 恒壓驅(qū)動時 ，隨著溫度的升高， Pn 結(jié)兩邊的熱平衡少子濃度相應(yīng)增加，從而導(dǎo)致Pn 結(jié)的反向飽和電流 Is 增大。 熱效應(yīng) 對 LED 的影響 發(fā)光二極管由 m 一 IV族化合物，如 GaP(磷化嫁 )、 GaAsP(磷砷化稼 )等半導(dǎo)體制成，其核心為 pn 結(jié)。 長期以來，對于小功率 LED 而言，普遍壽命為 10“小時。在量子效率相同的第 10 頁 共 38 頁 情況下，綠光具有最高的流明效率 [11]. 目前國內(nèi)外的研制者常常結(jié)合光學(xué)原理，在芯片的 外延結(jié)構(gòu)和工藝方法上進行探索，以制造出發(fā)光效率較高的 LED 芯片。為了獲得高指向性的角分布，通常采用 LED 管芯位置離模粒頭遠些、使用圓錐狀 (子彈頭 )的模粒頭以及封裝的環(huán)氧樹脂中不添加散射劑燈措施 。 當(dāng)電能轉(zhuǎn)化為光能時，發(fā)出光能量大小為 h v（ h為普朗克常數(shù) ,v 為頻率）的光子，該能量相當(dāng)于半導(dǎo)體材料的帶隙能量 Eg（亦稱半導(dǎo)體材料禁帶寬度），理論和實踐證明，發(fā)出的光的峰值波長λ與發(fā)光區(qū)域的半導(dǎo)體材料禁帶寬度 Eg有關(guān)，即 λ (nm)=(ev) 式中 Eg 的單位為電子伏特（ eV）。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。 普通 LED 封裝結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱性能很差，熱量只能通過芯片下面的兩個引腳散出，器件的熱阻達 150～ 250℃ /W。LED 經(jīng)過 40 多年的發(fā)展，大致經(jīng)歷了 引腳 式 LED、普通貼片式 LED、功率 LED、大功率LED 等發(fā)展歷程，封裝技術(shù)主要有引腳式 LED、表面組裝式 LED、板載芯片式 LED、系統(tǒng)封裝 式 LED 等，如下面圖示 [2]。 LED 以其工作電壓低、耗電量少、發(fā)光效率高、光色純、全固態(tài)、質(zhì)量輕、體積小、成本低、綠色環(huán)保等一系列優(yōu)點，成為 21 世紀(jì)最具發(fā)展前景的高技術(shù)領(lǐng)域之一。 過去對有關(guān)設(shè)計的計算量往往要幾天甚至幾年，由于現(xiàn)代計算機技術(shù)及數(shù)學(xué)理論的飛速發(fā)展，現(xiàn)在需要的時間已大大縮短。在車用照明中，車頭燈由于其需要光通量較大，潛在規(guī)模相當(dāng)龐大，因此倍受 LED 廠商重視。實際應(yīng)用的照明設(shè)備，如照亮寫字臺、屏幕或房間 的光源不僅要求高發(fā)光效率和長的使用壽命，還要具有較高的光通量和可接受的價格 。但銅材料價格昂貴、易氧化，加工成本高。一般來說，空氣冷卻或強制風(fēng)冷技術(shù)大多應(yīng)用在低功耗或中等功耗的器件或電子設(shè)備中 。較之傳統(tǒng)的正裝結(jié)構(gòu)，倒裝結(jié)構(gòu)可將 LED 的光效提高 70％[3]。 國內(nèi)外 大功率 LED 散熱 研究 為了提高大功率 LED 的散熱效果，國內(nèi)外進行了大量的研究， 本節(jié)試從對芯片采用倒裝焊、使用導(dǎo)熱性能較好的 粘結(jié)材料、使用散熱器等一一 闡明國內(nèi)外常用的大功率LED 散熱 方法研究 。 第 3 頁 共 38 頁 課題的目的和意義 大功率 LED 光源研制的成功，為其以后在普通照明領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展創(chuàng)造了條件。后來各種光色的 LED 進入交通和顯示屏中廣泛應(yīng)用，后來隨著 LED 技術(shù)的進步，尤其是在 1998 年白光 LED 開發(fā)成功，其在通用照明領(lǐng)域大顯伸手。在我國，目前的照明光源主要采用白熾燈、熒光燈 等傳統(tǒng)照明光源，這些光源在能耗、壽命、 環(huán)境保護等方面都 有不足，為此，我國在 1996 年就提出了“綠色照明工程”，主要就是為了解決與照明相關(guān)的能源供應(yīng)和經(jīng)濟效益問題。 本文通過 利用 APDL 進行參數(shù)化編程 ， 進而在對所選 LED 進行溫度場和應(yīng)力場分析的基礎(chǔ)上，從三個方面優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)， 從而提高白光 LED 器件的性能和使用 壽命。 在同樣亮度下， LED 的電能消耗僅為白熾燈的八分之一，因此 LED 照明的應(yīng)用將大大節(jié)約能源，同時還將減少二氧化碳的排放量。經(jīng)過 13 次后收斂，在第 10 次時最優(yōu)，重量值為 ； 第三種情況：優(yōu)化目標(biāo)為 Von Mises 應(yīng)力， 當(dāng)優(yōu)化目標(biāo)為封裝應(yīng)力時，約束條件取各尺寸范圍，狀態(tài)變量分別為芯片溫度和結(jié)構(gòu)重量，在達到最優(yōu)時，最大應(yīng)力為，降幅達 %。編號： 畢業(yè) 設(shè)計說明書 題 目： 大 功率 LED 器件的封裝 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 題目類型 ： ?理論研究 ?實驗研究 ?工程設(shè)計 ?工程技術(shù)研究 ?軟件開發(fā) 摘 要 本文以某大功率 LED 為背景，在查閱國內(nèi)外大量文獻的基礎(chǔ)上，經(jīng)過對各種參數(shù)化建模和優(yōu)化技術(shù)方法的探索和研究，提出了直接在有限元平臺上利用 APDL 語言進行其溫度場和應(yīng)力場分析的基礎(chǔ)上 ，對該 LED 結(jié)構(gòu)參數(shù) 優(yōu)化設(shè)計。 關(guān)鍵詞 ： 大功率 LED； 散熱 ； 有限元模擬； ANSYS； 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 Abstract The method of 3D Parametricmodeling by APDL language is pointed out for some LED in this paper. This work is based on a lot of references and many theories about parametric modeling, and structural optimization. Furthermore, the structural optimization for the LED is finished after a series of work including the analysis of the temperature gradient and the stress gradient. In this paper, the thermal analysis of package products in a highpower white LED light fitting was investigated in this paper. According to the FEM calculation, the static temperature field in the working process was analyzed. The temperature gradient in the LED package structure was found. Ceramic substrate and heatsink base were considered as the main part to block heat dissipation. Therefore, several optimization designs of LED were put forward, and their simulation results were analyzed simply. The optimization of this article can be chosen from the three aspects of the LED package structure for optimal design. The first kind of circumstances: the objective function was chip temperature, and constraint condition was each size range. There was the optimization in the seventh time. From the best series, it can be seen that the highest temperature of chip has fallen to degrees Celsius than before, and optimized nearly 20% lower. The second kind of circumstances: the objective function was weight of structure. When optimizing weight of structure, constraint condition was also each size and the chip temperature was taken state variables. After 13 times, it achieved to convergence. There was the optimal in the first 10 times, weight values was . The third kind of circumstances: the objective function was the Von Mises stress. When optim