【正文】 ization objective was packaging stress, constraint condition was the size range and state variables were respectively weight of structure and temperature of chip. The maximum stress was and was lower by % than that before the optimization. Key words: Highpower LED。除節(jié)能與環(huán)保外， LED 照明還具有響應(yīng)速度快、無頻閃、長壽命、無輻射、無電磁干擾、無有毒氣體等優(yōu)點。 對于 LED 取代傳統(tǒng)光源，節(jié)約能源有重要意義， 對于 LED 實際應(yīng)用具有重要意義。 與此同時，世界各國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。 LED 封裝技術(shù) 是決定 GaN 基 LED 進入普通照明領(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，一直是近年來的研究熱點。而 LED 的散熱問題是影響 大功率 LED 發(fā)展的瓶頸問題之一， 現(xiàn)在全世界都在對 LED 散熱進行研究，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 的未來發(fā)展方向，對散熱技術(shù)的研究如何從結(jié)構(gòu)設(shè)計方面將不同的散熱技術(shù)整合優(yōu)化，達 到一個相對最佳的狀態(tài)，從而滿足大功率 LED 對散熱的要求，是對結(jié)構(gòu)設(shè)計提出的一個挑戰(zhàn)，如何通過優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高 LED 散熱的效率是研究的主要目標和方向。 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)。 第 4 頁 共 38 頁 錢可元、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。 風冷散熱器的原理很簡單：芯片耗散的熱量通過粘接材料傳導(dǎo)到金屬底座上，再傳導(dǎo)到散熱片上，通過自然對流或強制對流把熱量散發(fā)到空氣中。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)濟性。 而 25lm 的光通量對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，要代替?zhèn)鹘y(tǒng)照明需要多個 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)用的最大問題。但也是因為應(yīng)用技術(shù)門坎較高，并受限于亮度不足，因此， 預(yù)計到 20xx 年時才可能出現(xiàn) LED 車頭燈商品化的產(chǎn)品。然則對于大功率 LED 的優(yōu)化設(shè)計， 一般來說，工作量巨大且煩瑣、重復(fù)性強，費時費力。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。 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。但大功率 LED 產(chǎn)生的熱量遠遠大于傳統(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)力造成器件開路而報廢。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)。若能產(chǎn)生可見光（波長在 380nm 紫光～ 780nm 紅光），半導(dǎo)體材料的 Eg應(yīng)在 ～ 之間。 發(fā)光效率 發(fā)光效率幾是 LED 的一個重要的性能指標，用 lm/W 來表達。目前采用電流擴散層、高低電阻系數(shù)層、厚窗口層等方法可以促使電流擴散，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。隨著瓦級大功率 LED 的研發(fā)，國外學(xué)者認為以 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。在外加電場作用下，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。溫度每升高 10℃， Is 約增加一倍。 LED 熱效應(yīng)對發(fā)光效率的影響 當溫度 T上升時，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。 LED 熱效應(yīng)對光色 的影響 一般情況下，常溫下的光色最為純正，當 Pn結(jié)溫度發(fā)生變化時， LED 的主波長也會產(chǎn)生一定的變化，即 LED 的光色也會發(fā)生一定變化。 而 LED 在工作過程中產(chǎn)生的熱效應(yīng)對其發(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。 它是基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元計算各 節(jié)點的溫度，并導(dǎo)出其他物理參數(shù)。 ⑴ 熱傳導(dǎo) 原理 熱傳導(dǎo)可以定義為完全接觸的兩個物體之間或一個物體的不同部分之間由于溫度梯度而引起的內(nèi)能交換。與此同時，密度較大的冷空氣下降并代替原來的受熱空氣。 圖 不同流體在不同條件下的對流換熱系數(shù) h ⑶ 熱 輻射 原理 絕對溫度零度以上的任何物體，都會不停地以電磁波的形式向外界輻射能量，同 時第 15 頁 共 38 頁 不斷吸收來自外界其他物體的輻射能。 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。 ANSYS 軟件是集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁場、聲場和耦合場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，涵蓋了機械、航空航天、能源、交通運輸、土木建筑、水利、電子、生物、醫(yī)學(xué)和教學(xué)等諸多領(lǐng)域在熱問題的處理上，通過對實際器件的離散化處理，把溫度場的分析轉(zhuǎn)化成對節(jié)點方程組的求解，代入邊界條件、負載情況和材料屬性，求解方程組，最后利用圖形技術(shù)顯示運算結(jié)果，即直觀地看出溫度分布。 Ansys 軟件主要包括三個部分 :前處理模塊，求解模塊和后處理模塊。通過友好的用戶界面，可以很容易獲得求解過程的計算結(jié)果并對其進行顯示。在執(zhí)行計算求解后，并將結(jié)果數(shù)據(jù)寫入結(jié)果文件和數(shù)據(jù)庫中 ； ? 查看溫度分布 圖 。吳慧穎等人利用有限元法對 1w 倒裝大功率白光 LED 的空間溫度場分布進行了模擬計算晰 [6]，模擬結(jié)果與測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。 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)整合為一個有源層 ； ⑽ 電極結(jié)構(gòu)也忽略不計。隨著封裝單位體積熱量迅速第 20 頁 共 38 頁 增加，為避免因熱而失靈，必須了解封裝的散熱能力。 圖 LED 溫度場云圖 由于芯片為熱源，其對 LED 的壽命有著至關(guān) 重要的作用。 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。 第 22 頁 共 38 頁 此章主要為后面 一章做準備，以此說明對該大功率 LED 做封裝結(jié)構(gòu)的必要性。 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)。而且，這又要考慮到 LED 燈具本身的重量 ，不能使LED 太笨重 。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。 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。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。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。 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。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。 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)是準確可行的 [15]。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。 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。 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)。 高溫物體表面常常發(fā)生對流現(xiàn)象。傳導(dǎo)和對流對 LED 散熱比較重要。 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。 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。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。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。恒流驅(qū)動時， pn 結(jié)電壓與溫度具有良好的線性關(guān)系。 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 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]。 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。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。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 。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。它具有一般 PN 結(jié)的特性，即正向?qū)?通， 反向截止 、擊穿特性。 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。 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。 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。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。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。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。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。如圖第 5 頁 共 38 頁 [5] 散熱器的示意圖。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。 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。 基于以上背景，我們 進行 研究大功率 LED 的散熱 ， 改善其散熱性能， 以節(jié)約能源，保護環(huán)境，提高照明質(zhì)量。 最初 LED 作為儀器儀表的指示光源，光強較低。 課題的提出 隨著現(xiàn)代 經(jīng)濟的飛速發(fā)展， 人類可利用的資源越來越少 ， 而 照明作為日常生產(chǎn)生活中所不可缺少的部分， 人們也越發(fā)對該能源的消耗日益重視起來。因此由于溫度升高而產(chǎn)生的各種熱效應(yīng)會嚴重影響到 LED 器件的使用壽命和可靠性。 LED 照明作為一種新型、十分有發(fā)展?jié)摿Φ母甙l(fā)光效率、環(huán)保固體發(fā)光光源應(yīng)運而生。 對結(jié)構(gòu)重量優(yōu)化時，約束條件為各尺寸的范圍，狀態(tài)變量取芯片溫度。 本文中， 針對一種 功率半導(dǎo)體器件 —— 大 功率 LED 照明燈具的封裝與組件進行散熱設(shè)