【正文】 計(jì)，通過有限元模型，分析其在工作狀態(tài)時(shí)的穩(wěn)態(tài)溫度場分布，發(fā)現(xiàn) LED 封裝整體的溫度梯度比較大，而封裝陶瓷基板 和熱沉基座 是阻礙器件散熱的主要部分。 Thermal dissipation。而且，該 光源還具有體積小、重量輕、免維護(hù)、易控制、使用安全、光效強(qiáng)，以及能適應(yīng)各種惡劣條件等優(yōu)點(diǎn)。 本文章節(jié)分布如下： 第 一章 緒論 主要介紹本課題的來源、提出該課題的原因、課題的目的和意義； 第二章 大功率 LED 的基礎(chǔ)理論 主要介紹大功率 LED 的結(jié)構(gòu)、發(fā)光機(jī)制、主要性能參數(shù)和熱效應(yīng)對其影響。 LED 是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件，被認(rèn)為是 21 世紀(jì)最有價(jià)值的新光源，將取代白熾燈和日光燈成為照明市場的主導(dǎo) [1]，使照明技術(shù)面臨一場新的革命，從而一定程度上改善人類的生產(chǎn)和生活方式。隨著功率的提高， LED 封裝也隨之發(fā)生著巨大的改變。 對于 LED 產(chǎn)品來說，研究產(chǎn)品的 散熱 問題，顯得十分重要、非常迫切。如大家所熟知的 Lumileds 公司 就 采用倒裝結(jié)構(gòu) (Flipchip)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 T1結(jié)構(gòu)。 ⑵ 使用導(dǎo)熱性能較好的粘結(jié)材料 如圖 [5] 所示，無論采取正裝焊或倒裝焊，芯片都需通過粘接材料粘接到金屬熱沉上。傳導(dǎo)和對流是兩種主要的傳熱方式。 ② 增大散熱器的散熱面積 散熱面積越大的散熱器，其熱容量越大。 照明消耗約占整個(gè)電力消耗的五分之一，各國的半導(dǎo)體照明計(jì)劃的首要目標(biāo)在于降低照明用電，從而節(jié)省能源、減少石油進(jìn)口、降低溫室效應(yīng)。 總而言之，目前的大功率高亮度 LED 已經(jīng)在背光源、顯示屏、特種照明、信號燈等領(lǐng)域得到很好的推廣，普通照明和汽車前照燈等領(lǐng)域還處于剛剛起步的階段。重復(fù)性的再建模與再分析影響了設(shè)計(jì)的效率。 LED 的結(jié)構(gòu) 發(fā)光二極管是一種注入電致發(fā)光器件，由 元素周期表中的Ⅲ族和 V族元素（稱為ⅢV族材料）組成，例如單色 LED 常用的砷化鎵 (GaAs)和磷化鎵 (GaP)材料。 SMTLED 封裝是一種可以直接將封裝好的器件貼、焊到 PCB 表面指定位置上的一種技術(shù)。 PN結(jié)附近輻射出來的光還需經(jīng)過芯片本身的半導(dǎo)體介質(zhì)和封裝介質(zhì)才能抵達(dá)外界。進(jìn)入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復(fù)合而發(fā)光，如圖 [9]所示，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。通過選擇不同的帶隙寬度的材料 ,其發(fā)光譜可以從紅外、可見光到紫外波段。發(fā)光效率包括內(nèi)量子效率和外 量子效率、提取效率及流明效率。目前的主流結(jié)構(gòu)有采用 GaP 厚窗口層的 InGaAIPLED 芯片結(jié)構(gòu)，采用 GaP透明襯底的 InGaAIPLED 芯片結(jié)構(gòu)以及采用 ITO 透明電極的 InGaAIPLED 芯片結(jié)構(gòu)。 IV 特性 LED 的 IV特性也是表征 LED 芯片 PN結(jié)制備性能的主要參數(shù)之一。與傳統(tǒng)的照明器件不同，白光 LED 的發(fā)光光譜中不包含紅外部分，所以其熱量不能依靠輻射釋放。雖然。根據(jù)電子能帶圖可以知道， Pn 結(jié)的溫升降低了輻射復(fù)合率，從而降低了 LED 發(fā)光效率。不同光色的 LED 對溫度的敏感度不同，綠光 LED 的敏感度最高，藍(lán)光 LED 的敏感度最低，如圖 所示 [14]。 因此，我們要對大功率 LED 進(jìn)行熱場分析，并進(jìn)行相關(guān)的封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。 熱力學(xué)分析在實(shí)際工程中是很重要的，例如對燃?xì)廨啓C(jī)、電子設(shè)備、換熱器、各種工業(yè)爐等。 其實(shí)質(zhì)是當(dāng)不同溫度的分子接近時(shí)，由于高溫快速分子與低溫低速分子間發(fā)生完全彈性碰撞或因自由電 子的轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。 第 14 頁 共 38 頁 熱對流的發(fā)生又因造成混合現(xiàn)象原動(dòng)力的不同而有自然對流及強(qiáng)制對流。當(dāng)物體向外界輻射的能量與其從外界吸收的輻射能不相等時(shí)，該物體與外界就產(chǎn)生熱量的傳遞。 通用 有限元 軟件 ANSYS 介紹 有限元分析軟件有很多，目前在國際市場上被市場認(rèn)可的通用軟件主要有： MSC 公司的 ANSYS 公司的 ANSYS； HKS 公司的 ABAQUS； MSC． Nastran、 MSC． Marc、 MSC． Dytran；LSTC 公司的 LS． DYNA； ADINA 公司的 ADINA。 ANSYS 基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度，并導(dǎo)出其它熱物理參數(shù)。 前處理模塊可創(chuàng)建實(shí)體模型及有限元模型，它包括創(chuàng)建實(shí)體模型、定義單元屬性、劃分網(wǎng)格等幾項(xiàng)內(nèi)容。這些結(jié)果可能包括位移、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、速度及熱流等，輸出形式可以有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表兩種。 本章小結(jié) 本章主要介紹了 LED 熱分析的基礎(chǔ)知識和 ANSYS 軟件 。馬澤濤等人建立了基于熱傳導(dǎo)和對流條件下高功率 LED 的有限元數(shù)值模型 [18]，并比較芯片熱沉所采用的材料對整個(gè) LED 封裝結(jié)構(gòu)散熱性能的影響，最后還給出了 chip 一 on 一 board 封裝技術(shù)的有限元分析結(jié)果。 各種材料的參數(shù)如下表示： 表 各種材料參數(shù) 材料 熱導(dǎo)率 （ W/m ANSYS 進(jìn)行熱分析可分為 3 個(gè)步驟： ? 建模 ； ? 施加載荷計(jì)算 ； ? 后處理 。根據(jù) 查看 LED 溫度分布云圖（如圖 ） ， 可以看出 芯片上的最低溫度為 ℃， 出現(xiàn)在芯片的底部的四個(gè)角落處，而 最高 溫度 為 ℃ ，此出現(xiàn)在上表面的中心處 。 另一個(gè)原因是，位移約束全部加在熱沉基座處。 5 LED 的封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 無論 做任何一件工作，人們總希望在一切可能的方 案中選擇一個(gè)最好的方案， 這就是優(yōu)化問題。所謂最優(yōu)設(shè)計(jì)， 指的是一種方案可以滿足所有的設(shè)計(jì)要求， 而且所需的支出（如重量、面積、體積、應(yīng)力、費(fèi)用 ） 等最小，即其過程就是一個(gè)反復(fù)優(yōu)化改變設(shè)計(jì)變量以在滿足狀態(tài)變量限制條件下使目標(biāo)函數(shù)參數(shù)逼近最小值。 由第4章知，我們要對芯片的溫度和封裝體上的應(yīng)力進(jìn)行優(yōu)化，以 降低對 LED 的危害，從而提高 LED 的 長時(shí)間、可靠 穩(wěn)定工作。在一些假設(shè)條件下，完成對溫度場和應(yīng)力場的分析 。 在此過程中，各體的材料 屬性增加了泊松比和彈性模量以及熱膨脹系數(shù)等參數(shù)。 根據(jù)表 所列的材料特性分別給各組件添加對應(yīng)的材料屬性， 在劃分網(wǎng)格時(shí)為獲得好的網(wǎng)格且占較小的系統(tǒng)資源，對各個(gè)組件逐一劃定（芯片的 網(wǎng)格較密 ）， 然后在芯片體上施加 6e9W/ 3m 的的 生熱率 熱載荷。溫度分布不均，差異過大，影響信號的傳輸特征 。芯片產(chǎn)生的熱量絕大部分經(jīng)銀漿、 基板等傳導(dǎo)到散熱片上，然后通過散熱片向大氣散出。 第 18 頁 共 38 頁 4 LED 有限元模型熱 場仿真 分析 為了有效解決 LED 的散熱問題，國內(nèi)外不少研究者開展了相關(guān)熱問題研究。 ANSYS 熱分析可用于分析穩(wěn)態(tài)傳熱（即系統(tǒng)的溫度場不隨時(shí)間變化）和瞬態(tài)分析（即系統(tǒng)的溫度場隨時(shí)間明顯變化）的問題。熱傳遞的三種類型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析 。 對于 LED， ANSYS 可以做以下可靠性相關(guān)的工作：跌落分析，包裝設(shè)計(jì)、熱分析、電子封裝，熱結(jié)構(gòu)匹配?？捎脕砬蠼饨Y(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。 有限元理論簡介 由熱力學(xué)第一定律和傅立葉定律，得到導(dǎo)熱微分方程為 K(zTyTxT 222222????????+ vq =0 1k1snT?? =22 snTk ?? （邊界面上熱流量連續(xù)） 11sT=22sT （邊界面上溫度連續(xù)） 其中： T是溫度； vq 是單位體積的產(chǎn)熱率； k 是熱導(dǎo)率； s是邊界面。熱對 流可以通過以下效果圖形象表示。 簡而言之，是 當(dāng)一熱金屬板與冷流體（液體或氣體）接觸時(shí)，靠近熱金屬板的流體膜由于液體的熱傳導(dǎo)而溫度上升，流體膜溫度上升造成體積膨脹，以致于發(fā)生冷熱流體混合的現(xiàn)象。由于受到芯片工作溫度的限制，芯片只能在 120℃以下工作，因此器件的熱輻射效應(yīng)基本可以忽略不計(jì)。因此了解大功率 LED 的散熱熱分析很重要。從溫度由低于幾向高于幾過渡時(shí)，環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)變化很大，迅速膨脹極 有可能導(dǎo)致導(dǎo)線鍵合點(diǎn)位移增大，造成導(dǎo)線過早疲勞甚至斷裂 。不同材料系，其輸出光通量對于 Pn 結(jié)溫度的溫度系數(shù)不同，即使對于同一材料系而言，由于各組分的比例不同，其溫度系數(shù)也不同。在極端情況下，雜質(zhì)半導(dǎo)體就變得與本征半導(dǎo)體相似， Pn 結(jié)也就不存在了。 LED 熱效應(yīng)對 PN 結(jié)正向偏壓的影響 LED 額定工作電流一般為幾十甚至幾百毫安，在這種 情況下，由于 Pn 結(jié)的歐姆接觸引起的壓降不容忽略 [18]。 Ir 的大小能夠反應(yīng)出 LED 芯片抗靜電能力和使用壽命，一般 LED的反向漏電流都小于 1ouA。器件老化程度與外加恒流源的電流密度有關(guān)，近似遵從如下規(guī)律 [11]: B(t)= 0B exp(tj/? ) 其中式中 0B 是初始亮度， B(t)是老化時(shí)間為 t 的亮度， j是外加恒流源的電流密度，? 是老化時(shí)間常數(shù)。 LED 器件流明效率的大小，取決于光譜流明效率和能量損耗相關(guān)等幾個(gè)效率的大小。發(fā)光強(qiáng)度的角分布是描述 LED 發(fā)光在空間各個(gè)方向上光強(qiáng)分布特性，主要 取決于封裝的工藝 (包括支架、模粒頭、環(huán)氧樹脂中添加散射劑與否 )「 10]，這個(gè)參數(shù)有著很重要的實(shí)際意義，因?yàn)橹苯佑绊懙?LED 顯示裝置的最小觀察角度 。發(fā)光的復(fù)合量相對于非發(fā)光復(fù)合量的比例越大，光量子效率越高。 LED 的發(fā)光機(jī)制 LED 是由化合物半導(dǎo)體材料制成，其核心是 PN 結(jié)。該技術(shù)主要用于大功率多芯片陣列的 LED 封裝，同 SMT 相比，不僅大大提高了封裝功率密度，而且降低了封裝熱阻。藍(lán)寶石是目前 GaN 基 LED 的主要襯底材料，工藝發(fā)展成熟，在目前情況下，還沒有其他襯底材料可以代替它 [1]。大功率 LED 的發(fā)展可以為 節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境，提高照明質(zhì)量，逐漸向第 7 頁 共 38 頁 各個(gè)領(lǐng)域推廣應(yīng)用，有著美好的應(yīng)用前景。 本文的主要內(nèi)容是 通過對白光 LED 發(fā)光原理，散熱原理以及基本結(jié)構(gòu)的分析，建立熱學(xué)模型并進(jìn)行分析。 另外一個(gè) LED 應(yīng)用發(fā)展最快的就是車用照明， 20xx 年市場規(guī)模為 億美元， 20xx年比 20xx 年增長 ％，市場規(guī)模為 億美元， 20xx 年比 20xx 年增長 ％，市場規(guī)模為 億美元。高亮度 LED在手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備領(lǐng)域達(dá) ，占整個(gè)高亮度 LED市場的 58％，緊隨其后的是汽車照明市場和顯示屏市場，它們各為 13％ [6]。鋁價(jià)格便宜，密度小，好加工，導(dǎo)熱性能良好。 1芯片； 2粘接材料； 3基板； 4散熱器 圖 散熱器示意圖 利用 散熱器對電子芯片進(jìn)行冷卻是最簡 單、最直接、成本最低的散熱方式。避免了電極對光線的吸收；散熱方面，有源面更接近于散熱體，將 LED 芯片通過凸點(diǎn)倒裝連接到硅基上，以硅作為芯片與散熱片的過渡導(dǎo)熱體，實(shí)現(xiàn)低熱阻，同時(shí)減小了熱應(yīng)力對器件可靠性的影響。 而且， 對于 LED 生產(chǎn)企業(yè)來說，提高產(chǎn)品的可靠性，可以改善公司信譽(yù)，增強(qiáng)競爭力，擴(kuò)大市場份額，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。如何提高大功率 LED 的散熱能力，是 LED 器件封裝和器件應(yīng)用設(shè)計(jì)要解 決的核心問題。另一方面，中國作為擁有 13 億人的人口大國，電力能源相對比較貧乏，并且隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 ，人民生活水平的不斷提高，照明用電在電力消耗中占的比例逐年提高 。 第 2 頁 共 38 頁 1 緒論 概述 課題來源 本課題來源于桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 06 級微電子制造工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 。如果不能有效地耗散這些熱量，隨之而來的熱效應(yīng)將會(huì)變得非常明顯：結(jié)溫升高，直接減少芯 片出射的光 子，取光效率降低；溫度的升高會(huì)使得芯片的發(fā)射光譜發(fā)生偏 移，色溫質(zhì)量下降，尤其是對基于藍(lán)光 LED 激發(fā)黃色熒光粉的白光 LED 器件更為嚴(yán)重，其中熒光粉的轉(zhuǎn)換效率也會(huì)隨著溫度升高而降低 [1]?，F(xiàn)在通用的照明燈具的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)十分成熟，且耗電量大、發(fā)光效率低、壽命短，其發(fā)光效率及照明效果都無法再有較大程度的提升。 第二種情況：優(yōu)化目標(biāo)為結(jié)構(gòu)重量 。 為此，提出幾種 LED 的優(yōu)化方案，并進(jìn)行了簡單分析。 FEM analysis。而用于照明的高功率 LED 發(fā)展的瓶頸之一是器件的散熱問題。 第三章 大功率 LED熱分析基礎(chǔ)知識和通用軟件 ANSYS 簡介 主要對 ANSYS 的基礎(chǔ)熱分析理論知識和有限元軟件 ANSYS 的介紹。 LED 照明的應(yīng)用前景在全世界都掀起了高潮，被寄予了厚望。對于 W 級（≧ 1W） 大功率 LED 而言，目前的電光轉(zhuǎn)換效率約為 15%，余下的 85%轉(zhuǎn)化為熱能，芯片的功率密度很大，造成巨大的浪費(fèi)。 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。傳統(tǒng)的正裝結(jié)構(gòu) LED 二極管 P電極上鍵合焊點(diǎn)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。采用熱導(dǎo)率更高的粘接材料，同時(shí)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。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(qiáng)傳導(dǎo)和對流散熱。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。 美國、日本等國家和臺灣地區(qū)對 LED 照明效益進(jìn)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