【正文】 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，都要求實現(xiàn)設(shè)計的優(yōu)化。所以我們在后面的章節(jié)中，要對芯片進行優(yōu)化設(shè)計，以降低高溫對 芯片和 熒光粉的危害。 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。 ANSYS 是具有較強分析能力的通用軟件，可以很好地處理各種問題。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)但是實體模型并不參與有限元分析，所有施加在幾何實體邊界上的載荷或約束必須傳遞到有限元模型上 (節(jié)點或單元上 )進行求解。 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 自身可以進行建模，同時也可以通過與多數(shù) CAD 軟件接口，實現(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。 圖 熱對流分析圖 熱對流用牛頓冷卻方程來描述 ： Q=h( sT Tf ) 式中 h為對流換熱系數(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。 散熱的基本途徑主要有以下三種：熱傳導(dǎo)、對流、輻射。 圖 不同光色 LED 對溫度的敏感度曲線 圖 環(huán)氧樹脂熱膨脹系數(shù)隨溫度變化曲線 LED 熱效應(yīng)對壽命的影響 Pn結(jié)結(jié)溫上升時，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，進而影響 LED 器件的可靠性，甚至失效。 如果 pn 結(jié)溫度持續(xù)上升，熱平衡少子濃度進一步增加。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) :對應(yīng)圖 中的 ab 段，當 V氣的時候， I 隨著 V成指數(shù)第 11 頁 共 38 頁 形式增加； 截止區(qū) :對應(yīng)圖 中的 be 段，當 0V氣，外加電場尚克服不少因載流子擴散而形成勢壘電場，因此 LED 處于截止區(qū)域 [l3]。一般來說，發(fā)光效率是指外量子效率。除了這種發(fā)光復(fù)合外，還有些電子被非發(fā)光中心（這個中心介于導(dǎo)帶、價帶中間附近）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。 SMT 技術(shù)具有可靠性高、高頻特性好、易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，是電子行業(yè)最流行的一種封裝技 術(shù)和工藝。 為了達到對 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， 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) 。最近幾年商業(yè)白色 LED 已取得較大進展，利用大面積芯片及特殊封裝技術(shù)可以使每個器件的光輸出提高 100 倍，并使每流明光輸出的成本下降 80％。 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，但是它的價格著實不菲。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)封裝時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。隨著 LED向高光強、高功率發(fā)展， LED 的散熱問題日漸突出。 第四章 LED有限元模型熱場仿真分析 主要對所選 LED建模和對 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)計作鋪墊。 ANSYS。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%。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。 我國 也 以 20xx 年北京奧運會和 20xx 年上海世博會為契機，推動半導(dǎo)體燈在城市景觀照明中的應(yīng)用。良好的可靠性能，不僅在于節(jié)省了人力成本，也節(jié)省了使用者的維護成本與商業(yè)效益。 (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藍寶石； 3粘接材料； 4基板 1藍寶石； 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。 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37％。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。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。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)。由于 LED 在不同的空間角度光強相差很大，因此發(fā)光強度是一個同半有寬度和光強角分布聯(lián)系密切的特征參數(shù)。 LED 發(fā)光亮度隨著長時間工作而出現(xiàn)光強或光亮度衰減現(xiàn)象被稱為老化。以下的部分將對熱效應(yīng)對 LED 產(chǎn)生的影響進行討論。 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。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 。 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。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 。此外，還可以分析相變、有內(nèi)熱源、接觸熱阻等問題。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。對所用模型進行適當簡化： 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。 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。 對 LED 進行建模時，進行了一些簡化處理。 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。 故在后面的 優(yōu)化 中，會對應(yīng)力進行優(yōu)化， 以 減小此處 的應(yīng)力，以提高 LED 的使用 壽命 。 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。 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 進行熱分析的 LED 封裝結(jié)構(gòu)模型 。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。 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。 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。 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。 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。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，進一第 12 頁 共 38 頁 步地降低了白光 LED 的發(fā)光效率。 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。在19701990 年 LED 的發(fā)光效率提高得很慢， 199020xx 年則提高得很快 。 LED 的主要性能參數(shù) 發(fā)光強度 發(fā)光強度是用來表征 LED 在特定發(fā)光方向的單位立體角的發(fā)光強弱，通常用法向光強來表示，位于法向方向光強最大，其與水平面交角為 90 度。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?，F(xiàn)在用于制造白光 LED 的材料主要是氮化鎵 (GaN)。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。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。采用熱導(dǎo)率更高的粘接材料，同時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。 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。 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。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。 為此，提出幾種 LED 的優(yōu)化方案，并進行了簡單分析?，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 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)機電工程學(xué)院 06 級微電子制造工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計題目 。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)計要解 決的核心問題。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，實現(xiàn)低熱阻，同時減小了熱應(yīng)力對器件可靠性的影響。鋁價格便宜，密度小，好加工，導(dǎo)熱性能良好。 另外一個 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。大功率 LED 的發(fā)展可以為 節(jié)約能源，保護環(huán)境，提高照明質(zhì)量，逐漸向第 7 頁 共 38 頁 各個領(lǐng)域推廣應(yīng)用，有著美好的應(yīng)用前景。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。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 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)等幾個效率的大小。 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。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。從溫度由低于幾向高于幾過渡時，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)線鍵合點位移增大，造成導(dǎo)線過早疲勞甚至斷裂 。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。熱對 流可以通過以下效果圖形象表示。可用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。熱傳遞的三種類型均可進行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析 。 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。溫度分布不均，差異過大，影響信號的傳輸特征 。 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)。 由第4章知，我們要對芯片的溫度和封裝體上的應(yīng)力進行優(yōu)化，以 降低對 LED 的危害，從而