【正文】 億美元電費，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；中國如果在 20xx 年 LED 照明能夠占領(lǐng)我國 1/3 的照明市場，每年就第 6 頁 共 38 頁 可以節(jié)約 1000 億度電，相當(dāng)于一個多的三峽電站發(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)和成本上的問題，將會對傳統(tǒng)的照明光源提出挑戰(zhàn)， LED 成為普通照明光源的時日會越來越近。 針對 這種情況，本文提出直接在有限元分析軟件 ANSYS 的平臺上，實現(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， 在對熱場模擬仿真 （溫度場和應(yīng)力場） 的基礎(chǔ) 上 ， 并利用 ANSYS 的優(yōu)化設(shè)計模塊進(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)備將芯片引腳對準(zhǔn)預(yù)先涂覆了粘接劑和焊膏的焊盤圖形上，然后直接貼裝到未鉆安裝孔的 PCB 表面上，經(jīng)過波峰焊或再流焊后，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)生的點陣振動的形式轉(zhuǎn)化為熱量，溫度升高，會增加非輻射復(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)鍵問題，因此在封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計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)計等。 第 9 頁 共 38 頁 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)正偏時表現(xiàn)低接觸電阻，反偏時表現(xiàn)為高接觸電阻，如圖 所示 [l2]，其中 b點對應(yīng)于 LED 的正向開啟電壓氣， c 點對應(yīng)于 LED 的反向擊穿電壓 K，不同的 LED對應(yīng)的開啟電壓也不同，如 GaAs 為 I v,GaAsP 為 ， GaP 為 ， GaN 為 。 對于瓦級 (≧ lw)高功率 LED 而言，芯片尺寸僅為 lmmxlmm～ ，也就是說芯片的功率密度很大，如果不能及時散熱，不僅會對 LED 本身產(chǎn)生影響，而且會給整個產(chǎn)品帶來困擾?！?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)射波長和熒光粉的激發(fā)波長不匹配而降低 了熒光粉的激射效率，進(jìn)一第 12 頁 共 38 頁 步地降低了白光 LED 的發(fā)光效率。對于白光 LED而言，隨著溫度的升高，發(fā)射光譜會發(fā)生紅移現(xiàn)象 ，因此， pn 結(jié)結(jié)溫每升高 10℃，主波長向長波長方向移動 2nm。 第 13 頁 共 38 頁 3 大功率 LED 熱分析基礎(chǔ) 理論 和 通用軟件 ANSYS 簡介 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。熱分析往往不是獨立的，熱分析完成后可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，計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。引起熱對流的原動力若為密度差 (溫度差引起 )，則此種熱對流稱為自然對流；引起熱對流的原動力若為外力因素 (諸如風(fēng)扇等 )，則此種熱對流稱為強(qiáng)制對流。 與其他固體半導(dǎo)體器件相比， LED 器件對溫度的敏感性更強(qiáng)。還有一些專門用來進(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體模型建模。通用后處理模塊 POSTI，模塊對前面的分析結(jié)果能以圖形形式顯示和輸出。熱傳導(dǎo)、對流和輻射是散熱的三個基本途徑，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，下加具有五個散熱片的散熱器，用來建立 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 確立模型的各個尺寸大小后，利用 APDL 編寫有關(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)溫度場及應(yīng)力場分析 本文將使用 ANSYS 軟件的熱分析模塊來討論在現(xiàn)有常見結(jié)構(gòu)下， 進(jìn)行 LED 封裝 的穩(wěn)態(tài)溫度場和應(yīng)力場分析。 LED 燈具封裝穩(wěn)態(tài)溫度場分析 LED 封裝器件體積小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以 用實驗方法準(zhǔn)確測量其內(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℃，芯片長期在此溫度下工作， 可能使環(huán)氧樹脂劣化而導(dǎo)致出光 效率降低或顏色發(fā)生變化，從而 會大第 21 頁 共 38 頁 大減少燈具的使用壽命。 故在后面的 優(yōu)化 中，會對應(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)計日益受到重視。 有限元分析過程中幾乎所有的設(shè)計量，如厚度、長度、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)計方案的分析過程。 對于本文中的 LED 也是如此。 對 LED 進(jìn)行建模時，進(jìn)行了一些簡化處理。 LED 燈具封裝穩(wěn)態(tài)應(yīng)力場分析 在進(jìn)行大功率 LED 的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力場分析時，可以采用間接法進(jìn)行，即熱 — 應(yīng)力結(jié)構(gòu)耦合分析時，先 對封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱分析，然后將溫度分析得到的節(jié)點溫度作為“體載荷”施加到結(jié)構(gòu)的節(jié)點上， 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。 本文中無論是在溫度場中，還是在應(yīng)力場 （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)計將會誘發(fā)一系列的問題 :出現(xiàn)局部過熱，引起晶片結(jié)區(qū)的燒毀 。對所用模型進(jìn)行適當(dāng)簡化： 倒裝 芯片 封埋在上部透明環(huán)氧樹脂時在，芯片通過導(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 處理問題的基本步驟，對于掌握 ANSYS 及其運用 很重要。濃淡圖則用不同的顏色代第 17 頁 共 38 頁 表不同的數(shù)值區(qū) (如應(yīng)力范圍 )，清晰地反映了計算結(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分析計算模塊，程序可處理熱傳遞的三種基本類型 :傳導(dǎo)、對流和輻射 。此外，還可以分析相變、有內(nèi)熱源、接觸熱阻等問題。 ANSYS 軟件含有多種分析能力，包括從簡單線性靜態(tài)分析到復(fù)雜非線性動態(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，傳導(dǎo)和對流 是 LED 散熱比較重要 的方式 。 根據(jù)熱對流公式町以發(fā)現(xiàn)熱量傳遞的數(shù)量同熱對流系數(shù)、有效接觸面積和溫度差成正比關(guān)系；熱對流系數(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 熱對流原理 熱對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)氧樹脂存在一個玻璃轉(zhuǎn)換溫度，如圖 所示。 LED 熱效應(yīng)對光能量的影響 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。以下的部分將對熱效應(yīng)對 LED 產(chǎn)生的影響進(jìn)行討論。當(dāng)嶺 V0 時， Pn 結(jié)反偏，這時引入另外一個表征 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，流過 LED 兩端的電流。 LED 發(fā)光亮度隨著長時間工作而出現(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，還與人的視覺函數(shù)有關(guān)，因此，對于發(fā)可見光的 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。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 共 38 頁 COBLED 是一種通過粘膠劑或爆料將 LED 芯片直接粘貼到 PCB 板上，再通過引線鍵全實現(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)過劃片、封裝等一系列工藝過程才能夠完成。 本章小結(jié) 在本章中，著重討論了本課題的來源、選題的目的和意義 、國內(nèi)外對 LED 散熱的研究 及應(yīng)用前景。而大功率 LED 照明對現(xiàn)代社會亦越發(fā)重要，因 此研究大功率LED 的散熱，并對其封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計， 減少對芯片的危害，提高大功率 LED 壽命，對能源 及材料 的節(jié)約不言而喻。預(yù)計在未來 5年內(nèi) LED 在照明市場應(yīng)用將取得實質(zhì)性進(jìn)展 [7]。 市場與應(yīng)用前景 20xx 年全球高亮度 LED 市場規(guī)模從 20xx 年的 27億美元增長到 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)也越來越復(fù)雜；另一方面 LED 的體積越來越小，導(dǎo)致功率密度愈來愈大。 我國 也 以 20xx 年北京奧運會和 20xx 年上海世博會為契機(jī)，推動半導(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 主要對軟件 ANSYS 優(yōu)化模塊的具體運用，完成對芯片溫 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 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越重要。 Structural optimization目 錄 引言 ....................................................... 1 1 緒論 ..................................................... 2 概述 .................................................................. 2 課題來源 ............................................................ 2 課題的提出 ..............................