【正文】 億美元電費(fèi)，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(tái)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(guó)如果在 20xx 年 LED 照明能夠占領(lǐng)我國(guó) 1/3 的照明市場(chǎng)，每年就第 6 頁(yè) 共 38 頁(yè) 可以節(jié)約 1000 億度電，相當(dāng)于一個(gè)多的三峽電站發(fā)電量。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(wèn)題，將會(huì)對(duì)傳統(tǒng)的照明光源提出挑戰(zhàn)， LED 成為普通照明光源的時(shí)日會(huì)越來(lái)越近。 針對(duì) 這種情況，本文提出直接在有限元分析軟件 ANSYS 的平臺(tái)上，實(shí)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(duì)熱場(chǎng)模擬仿真 （溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)） 的基礎(chǔ) 上 ， 并利用 ANSYS 的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化?，F(xiàn)在用于制造白光 LED 的材料主要是氮化鎵 (GaN)。 具體而言，就是用特定的工具或設(shè)備將芯片引腳對(duì)準(zhǔn)預(yù)先涂覆了粘接劑和焊膏的焊盤(pán)圖形上，然后直接貼裝到未鉆安裝孔的 PCB 表面上，經(jīng)過(guò)波峰焊或再流焊后，使器件和電路之間建立可靠的機(jī)械和電氣連接。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(diǎn)陣振動(dòng)的形式轉(zhuǎn)化為熱量，溫度升高，會(huì)增加非輻射復(fù)合，進(jìn)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(wèn)題，因此在封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)等。 第 9 頁(yè) 共 38 頁(yè) 圖 LED 發(fā)光機(jī)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(jià)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。 LED 的主要性能參數(shù) 發(fā)光強(qiáng)度 發(fā)光強(qiáng)度是用來(lái)表征 LED 在特定發(fā)光方向的單位立體角的發(fā)光強(qiáng)弱，通常用法向光強(qiáng)來(lái)表示，位于法向方向光強(qiáng)最大，其與水平面交角為 90 度。 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。在19701990 年 LED 的發(fā)光效率提高得很慢， 199020xx 年則提高得很快 。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(shí)表現(xiàn)低接觸電阻，反偏時(shí)表現(xiàn)為高接觸電阻，如圖 所示 [l2]，其中 b點(diǎn)對(duì)應(yīng)于 LED 的正向開(kāi)啟電壓氣， c 點(diǎn)對(duì)應(yīng)于 LED 的反向擊穿電壓 K，不同的 LED對(duì)應(yīng)的開(kāi)啟電壓也不同，如 GaAs 為 I v,GaAsP 為 ， GaP 為 ， GaN 為 。 對(duì)于瓦級(jí) (≧ lw)高功率 LED 而言，芯片尺寸僅為 lmmxlmm～ ，也就是說(shuō)芯片的功率密度很大，如果不能及時(shí)散熱，不僅會(huì)對(duì) LED 本身產(chǎn)生影響，而且會(huì)給整個(gè)產(chǎn)品帶來(lái)困擾?！?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(dòng)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) 。此外，除了溫升會(huì)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(zhǎng)和熒光粉的激發(fā)波長(zhǎng)不匹配而降低 了熒光粉的激射效率，進(jìn)一第 12 頁(yè) 共 38 頁(yè) 步地降低了白光 LED 的發(fā)光效率。對(duì)于白光 LED而言，隨著溫度的升高，發(fā)射光譜會(huì)發(fā)生紅移現(xiàn)象 ，因此， pn 結(jié)結(jié)溫每升高 10℃，主波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng) 2nm。 第 13 頁(yè) 共 38 頁(yè) 3 大功率 LED 熱分析基礎(chǔ) 理論 和 通用軟件 ANSYS 簡(jiǎn)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。熱分析往往不是獨(dú)立的，熱分析完成后可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，計(jì)算由于熱膨脹或收縮引起的熱應(yīng)力等。 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。引起熱對(duì)流的原動(dòng)力若為密度差 (溫度差引起 )，則此種熱對(duì)流稱為自然對(duì)流；引起熱對(duì)流的原動(dòng)力若為外力因素 (諸如風(fēng)扇等 )，則此種熱對(duì)流稱為強(qiáng)制對(duì)流。 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)。還有一些專門(mén)用來(lái)進(jìn)行熱分析的軟件，如FLOMERICS 公司的 flotherm 等。 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?，F(xiàn)今大部分的有限元分析模型都用實(shí)體模型建模。通用后處理模塊 POSTI，模塊對(duì)前面的分析結(jié)果能以圖形形式顯示和輸出。熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射是散熱的三個(gè)基本途徑，而在本文中主要考慮前二者 ，可以將熱輻射忽略 。 LED 燈具封裝模型的建立 本文采用 Lumileds公司型號(hào)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(gè)散熱片的散熱器，用來(lái)建立 進(jìn)行熱分析的 LED 封裝結(jié)構(gòu)模型 。 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(gè)尺寸大小后，利用 APDL 編寫(xiě)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(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)分析 本文將使用 ANSYS 軟件的熱分析模塊來(lái)討論在現(xiàn)有常見(jiàn)結(jié)構(gòu)下， 進(jìn)行 LED 封裝 的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分析。 LED 燈具封裝穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析 LED 封裝器件體積小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以 用實(shí)驗(yàn)方法準(zhǔn)確測(cè)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(cè)器件內(nèi)部的溫度、應(yīng)力等物理量的變化。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(zhǎng)期在此溫度下工作， 可能使環(huán)氧樹(shù)脂劣化而導(dǎo)致出光 效率降低或顏色發(fā)生變化，從而 會(huì)大第 21 頁(yè) 共 38 頁(yè) 大減少燈具的使用壽命。 故在后面的 優(yōu)化 中，會(huì)對(duì)應(yīng)力進(jìn)行優(yōu)化， 以 減小此處 的應(yīng)力，以提高 LED 的使用 壽命 。 目前，結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計(jì)日益受到重視。 有限元分析過(guò)程中幾乎所有的設(shè)計(jì)量，如厚度、長(zhǎng)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(jì)方案的分析過(guò)程。 對(duì)于本文中的 LED 也是如此。 對(duì) LED 進(jìn)行建模時(shí)，進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化處理。 LED 燈具封裝穩(wěn)態(tài)應(yīng)力場(chǎng)分析 在進(jìn)行大功率 LED 的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力場(chǎng)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。 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。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 。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。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。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。 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型 :傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射 。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。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 。 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。 ⑵ 熱對(duì)流原理 熱對(duì)流是指固體的表面與它周圍接觸的流體之間，由于溫差的存在引起的熱量的交換。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)。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 。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。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。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。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。 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。 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。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)。復(fù)合產(chǎn)生的能量以光或者熱的形式發(fā)散出來(lái)。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)。 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)。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。 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。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。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]。 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％?，F(xiàn)在常用的散熱器材料主要是 鋁和銅。 (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。而采用倒裝結(jié)構(gòu)，光由透明的藍(lán)寶石襯底發(fā)出。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。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。 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。 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)。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。 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 ..............................