【正文】 ............................ 2 課題的目的和意義 .................................................... 3 國內(nèi)外大功率 LED 散熱研究 .............................................. 3 市場與應(yīng)用前景 ........................................................ 5 本文的主要研究內(nèi)容 .................................................... 6 本章小結(jié) .............................................................. 6 2 大功率 LED 的基礎(chǔ)理論 ...................................... 7 LED 的簡介 ............................................................ 7 LED 的結(jié)構(gòu) .......................................................... 7 LED 的發(fā)光機(jī)制 ...................................................... 8 LED 的主要性能參數(shù) .................................................. 9 熱效應(yīng)對(duì) LED 的影響 ................................................... 11 LED 熱效應(yīng)對(duì) PN 結(jié)正向偏壓的影響 .................................... 11 LED 熱效應(yīng)對(duì)發(fā)光效率的影響 ......................................... 11 LED 熱效應(yīng)對(duì)光能量的影響 ........................................... 12 LED 熱效應(yīng)對(duì)光色的影響 ............................................. 12 LED 熱效應(yīng)對(duì)壽命的影響 ............................................. 12 本章小結(jié) ............................................................. 12 3 大功率 LED 熱分析基礎(chǔ)理論和通用軟件 ANSYS 簡介 ............... 13 LED 散熱基礎(chǔ)知識(shí) ..................................................... 13 有限元理論簡介 ....................................................... 15 通用有限元軟件 ANSYS 介紹 ............................................. 15 本章小結(jié) ............................................................. 17 4 LED 有限元模型熱場仿真分析 ................................ 18 LED 燈具封裝模型的建立 ............................................... 18 LED 燈具封裝穩(wěn)態(tài)溫度場及應(yīng)力場分析 ................................... 19 5 LED 的封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) .................................... 22 優(yōu)化設(shè)計(jì)介紹 ......................................................... 22 優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本概念 ................................................. 22 優(yōu)化設(shè)計(jì)問題的數(shù)學(xué)表述與步驟 ....................................... 24 APDL 參數(shù)化語言 ...................................................... 25 大功率 LED 的封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) ......................................... 25 芯片溫度最低 ....................................................... 25 結(jié)構(gòu)最輕 ........................................................... 26 應(yīng)力最小 ........................................................... 28 本章小結(jié) ............................................................. 29 6 結(jié)論 .................................................... 30 全文總結(jié) ............................................................. 30 全文展望 ............................................................. 30 謝辭 ...................................................... 31 參考文獻(xiàn) ................................................... 31 附錄 ...................................................... 33 第 1 頁 共 38 頁 引言 眾所周知， 隨著全球能源的緊缺以及全球氣候變暖，在新的能源開發(fā)沒有取得突破性進(jìn)展的情況下 ，能源的節(jié)約利用成了世界各國思考的重大問題，其僅照明耗電量大約占世界電量消耗量的 20%。由最佳優(yōu)化系列可以看出，芯片的最高溫度已降至 ℃，比優(yōu)化前降低了將近 20%。 本文的優(yōu)化設(shè)計(jì)可從三個(gè)方面對(duì)所選用的 LED 進(jìn)行封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)： 第一種情況：優(yōu)化目標(biāo)為芯片溫度， 約束條件為各尺寸的范圍，在第 7 次達(dá)到優(yōu)化。 ANSYS。目前 ,比較成熟的商品化功率型 LED 輸入功率一般為 1W，芯片面積為 1mm1mm，其熱流密度達(dá)到了 100W/c 2m 。 第四章 LED有限元模型熱場仿真分析 主要對(duì)所選 LED建模和對(duì) LED溫度場和應(yīng)力場的分析，為后面的封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)作鋪墊。 面對(duì)半導(dǎo)體光源的巨大商機(jī)和新一代照明革命的浪潮，許多國家和地區(qū)相繼推出了半導(dǎo)體照明發(fā)展計(jì)劃 ，如 日本的 21 世紀(jì)“光計(jì)劃”計(jì)劃 、 歐盟的“彩虹計(jì)劃” 、 美國的“國家半導(dǎo)體照明計(jì)劃” 。隨著 LED向高光強(qiáng)、高功率發(fā)展， LED 的散熱問題日漸突出。 另一方面， 提高產(chǎn)品的 散熱 可靠性，可以減少維修時(shí)間，提高產(chǎn)品可用率，對(duì)于一些造價(jià)高昂的商用顯示系統(tǒng)，如大屏幕 LED 顯示系統(tǒng)，其“昂貴”不僅體現(xiàn)在前期的硬件投入，更體現(xiàn)在后期的維護(hù)成本和耗材費(fèi) 用。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)封裝時(shí)上面通常涂敷一層環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹 脂導(dǎo)熱能力差，而且下面襯底 (藍(lán)寶石 )也是熱的不良導(dǎo)體，前后兩方面都造成散熱的難題，影響器件 的性能參數(shù)和可靠性。吳慧穎、錢可元 [6]等人利用有限元法 (FEM)對(duì)倒裝大功率白光 LED 的空間溫度場分布進(jìn)行了模擬計(jì)算，得到的芯片溫度分布剖面圖，看出芯片與底部金屬熱沉的粘接部位存在較大溫度差，說明此區(qū)域存在很大熱阻，若能找到導(dǎo)熱性能更好的粘接材料將有利于降低器件的熱阻。 ① 采用導(dǎo)熱性能好的材料作散熱器 在常見的金屬中，銀的導(dǎo)熱率最高，但是它的價(jià)格著實(shí)不菲。 大功率 LED 封裝技術(shù)存在的問題如取光效率、熱阻、光衰等還沒有得到最終的突破，在封裝形式上創(chuàng)新少，且集中于單芯片的封裝，而多芯片陣列低熱阻封裝是目前獲 得高光通量的一個(gè)可行方案，值得研究推廣。最近幾年商業(yè)白色 LED 已取得較大進(jìn)展，利用大面積芯片及特殊封裝技術(shù)可以使每個(gè)器件的光輸出提高 100 倍，并使每流明光輸出的成本下降 80％。 本文的主要研究內(nèi)容 由以上分析可知，大功率 LED 的能耗是相當(dāng)?shù)拇?，其中大部分都以熱量的形式散發(fā)了出去，造成巨大的浪費(fèi)。 為了達(dá)到對(duì) LED燈具散熱系統(tǒng)的整體優(yōu)化， 選取了基板和散熱器作為突破點(diǎn)， 本文試從降低 LED 芯片的溫度、優(yōu)化 LED 的重量和減少大功率 LED 上的最大應(yīng)力等三方面優(yōu)化 LED 的封裝結(jié)構(gòu) ，探索一些高散熱性能的外 封裝結(jié)構(gòu) 。對(duì)于 GaN 薄膜材料還沒有體單晶 GaN 可以進(jìn)行同質(zhì)外延，而是依靠有機(jī)金屬氣相沉淀法 (MOCVD)在相關(guān)的異型支撐襯底上生成。 SMT 技術(shù)具有可靠性高、高頻特性好、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是電子行業(yè)最流行的一種封裝技 術(shù)和工藝。 針對(duì)大功率 LED 封裝的散熱難題，人們分別在封裝結(jié)構(gòu)和材料等方面對(duì)器件的熱系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)一，并已取得了顯著的成效。除了這種發(fā)光復(fù)合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個(gè)中心介于導(dǎo)帶、價(jià)帶中間附近）捕獲，而后再與空穴復(fù)合，每次釋放的能量不大，不能形成 可見光。當(dāng)角度偏離正法向，光強(qiáng)也隨之變化。一般來說，發(fā)光效率是指外量子效率。 壽命 我們把 LED 的亮度衰減到初始亮度的一半所需 時(shí)間稱為 LED 的壽命。電流 I 與外加電壓 v呈指數(shù)關(guān)系 如圖示 ： 圖 正向工作區(qū) ：正向工作區(qū) :對(duì)應(yīng)圖 中的 ab 段，當(dāng) V氣的時(shí)候， I 隨著 V成指數(shù)第 11 頁 共 38 頁 形式增加； 截止區(qū) :對(duì)應(yīng)圖 中的 be 段，當(dāng) 0V氣，外加電場尚克服不少因載流子擴(kuò)散而形成勢壘電場，因此 LED 處于截止區(qū)域 [l3]。對(duì)于多個(gè)白光 LED 陣列式照明系統(tǒng)而言，熱量的耗散問題更嚴(yán)重。 如果 pn 結(jié)溫度持續(xù)上升，熱平衡少子濃度進(jìn)一步增加。因此，一般說來， Pn 結(jié)結(jié)溫應(yīng)保持在 120℃才能避免LED 器件性能下降甚至失效。 圖 不同光色 LED 對(duì)溫度的敏感度曲線 圖 環(huán)氧樹脂熱膨脹系數(shù)隨溫度變化曲線 LED 熱效應(yīng)對(duì)壽命的影響 Pn結(jié)結(jié)溫上升時(shí)，容易導(dǎo)致芯片、環(huán)氧樹脂和導(dǎo)線 (金線或鋁線 )等材料物理特性發(fā)生變化，從而導(dǎo)致環(huán)氧樹脂老化，導(dǎo)線接觸不良甚至斷裂，進(jìn)而影響 LED 器件的可靠性，甚至失效。傳統(tǒng)亮度 LED 因其發(fā)光功率小，熱量也不大，故散熱無問題。 散熱的基本途徑主要有以下三種：熱傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射。傅立葉定律指出，熱流密度正比于傳熱面的法向溫度梯度，式中負(fù)號(hào)表示熱流力一向與溫度梯度方向相反，即熱量從高溫傳至低溫。 圖 熱對(duì)流分析圖 熱對(duì)流用牛頓冷卻方程來描述 ： Q=h( sT Tf ) 式中 h為對(duì)流換熱系數(shù) (或稱膜傳熱系數(shù)、給熱系數(shù)、膜系數(shù)等 )， sT 為固體表面的溫度，Tf 為周圍流體的溫度。 對(duì)于傳統(tǒng)光源，燈絲溫度通常在 20xx℃左右，可以產(chǎn)生很強(qiáng)的熱輻射將熱量散出。 ANSYS 軟件是由世界上 CAE 行業(yè)最大的公司 —— ANSYS 公司 推出 的產(chǎn)品，其 自身可以進(jìn)行建模，同時(shí)也可以通過與多數(shù) CAD 軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如 Pro／Engineer， NASTRAN， Alogor， I— DEAS， AutoCAD 等，建模過程迅速。熱力學(xué)分析包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流及熱輻射三種熱傳遞方式。類似于 CAD 以數(shù)學(xué)方式表示結(jié)構(gòu)的兒何形狀，用于在其內(nèi)部劃分節(jié)點(diǎn)和單元 ，還可以在兒何模型邊界上方便的施加載荷，用于在其內(nèi)但是實(shí)體模型并不參與有限元分析，所有施加在幾何實(shí)體邊界上的載荷或約束必須傳遞到有限元模型上 (節(jié)點(diǎn)或單元上 )進(jìn)行求解。計(jì)算結(jié)果 (如應(yīng)力 )在模型上的變化情況可用等值線圖表示，不同的等值線顏色，代表了不同的值 (如應(yīng)力值 )。 ANSYS 是具有較強(qiáng)分析能力的通用軟件，可以很好地處理各種問題。 設(shè)芯片為均勻熱源，封裝模塊所處的溫度場為穩(wěn)態(tài)溫度場，各層材料均為各向同性的材料，且各層材料之間為理想接觸，即交界面上的接觸熱阻為零。 LED 芯片的尺寸正在向大面積化發(fā)展，承第二章 所述，器件失效往往與其工作溫度密切相關(guān)，芯片的熱分布研究很有必要。通過數(shù)值有限元計(jì)算得到溫度場分布，雖然這并不一定是 LED 器件內(nèi)部的實(shí)際溫度，但是能大概得到其相對(duì)分布情況。所以我們?cè)诤竺娴恼鹿?jié)中，要對(duì)芯片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以降低高溫對(duì) 芯片和 熒光粉的危害。 本章小結(jié) 在本章中， 主要介紹 了本課題的 LED 模型以及對(duì)于該 LED 封裝的溫度場和熱應(yīng)力場的分析。 為提高產(chǎn)品性能、可靠性，降低成本，加快產(chǎn)品的研發(fā)周期，都要求實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。因此這些方面都可以優(yōu)化的，即實(shí)