【正文】 提高 LED 的 長時間、可靠 穩(wěn)定工作。 5 LED 的封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 無論 做任何一件工作，人們總希望在一切可能的方 案中選擇一個最好的方案， 這就是優(yōu)化問題。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角落處，而 最高 溫度 為 ℃ ，此出現(xiàn)在上表面的中心處 。 各種材料的參數(shù)如下表示： 表 各種材料參數(shù) 材料 熱導率 （ W/m 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 。 前處理模塊可創(chuàng)建實體模型及有限元模型，它包括創(chuàng)建實體模型、定義單元屬性、劃分網(wǎng)格等幾項內(nèi)容。 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。 第 14 頁 共 38 頁 熱對流的發(fā)生又因造成混合現(xiàn)象原動力的不同而有自然對流及強制對流。 熱力學分析在實際工程中是很重要的，例如對燃氣輪機、電子設(shè)備、換熱器、各種工業(yè)爐等。不同光色的 LED 對溫度的敏感度不同，綠光 LED 的敏感度最高，藍光 LED 的敏感度最低，如圖 所示 [14]。雖然。 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。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。進入對方區(qū)域的少數(shù)載流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復合而發(fā)光，如圖 [9]所示，光的強弱與電流有關(guān)。 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)。重復性的再建模與再分析影響了設(shè)計的效率。 照明消耗約占整個電力消耗的五分之一，各國的半導體照明計劃的首要目標在于降低照明用電，從而節(jié)省能源、減少石油進口、降低溫室效應(yīng)。傳導和對流是兩種主要的傳熱方式。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)。隨著功率的提高， LED 封裝也隨之發(fā)生著巨大的改變。 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)光機制、主要性能參數(shù)和熱效應(yīng)對其影響。 Thermal dissipation。 對結(jié)構(gòu)重量優(yōu)化時，約束條件為各尺寸的范圍，狀態(tài)變量取芯片溫度。因此由于溫度升高而產(chǎn)生的各種熱效應(yīng)會嚴重影響到 LED 器件的使用壽命和可靠性。 最初 LED 作為儀器儀表的指示光源，光強較低。 在如今能源日益缺少、大功率 LED 日漸普及的大背景下，研究大功率 LED 的散熱，對其進行優(yōu)化設(shè)計， 增大其散熱能力， 提高其壽命， 改善其電光轉(zhuǎn)換效率，從而更加適應(yīng)現(xiàn)代社會的可持續(xù)發(fā)展就有很大的意義。如圖第 5 頁 共 38 頁 [5] 散熱器的示意圖。在普通照明市場上，也具有強大的市場潛力，但是受限于白光 LED 的發(fā)光效率和價格因素，在普通照明市場的占有率還比較低，因為要獲得與白熾燈、熒光燈等相同的照度，整個照明系統(tǒng)的成本很高。通過對制約散熱的條件闡述，研究設(shè)計 LED 的 封裝 結(jié)構(gòu)，最終達到優(yōu)化散熱系統(tǒng)，達到產(chǎn)品設(shè)計對溫度的要求，提高 LED 產(chǎn)品光效，提高 LED 產(chǎn)品使用壽命的目的。 為了保護 LED 芯片不會因受機械、熱、潮濕及其它的外部沖擊，同時確保芯片和電路間的電氣和機械性的正確接觸，以及考慮其光學方面的特性，所以要對 LED 進行封裝。它具有一般 PN 結(jié)的特性，即正向?qū)?通， 反向截止 、擊穿特性。對于光通量相同的 LED，角度越大，對應(yīng)的發(fā)光強度越小，但由于光強角分布的不 同，光強和半角寬度二者之間沒有一個固定的函數(shù)關(guān)系 。 測量 LED 的壽命要花很長時間，通常以以下方法測量 ：給 LED 通以電流密度為 j 的恒流源，先測得 0B ，再點燃 310 ～ 410 小時后，測得 B（ 310 ）和 B（ 410 ），代入公式求得 ? ；再令 B(t)= 0B /2 代入公式，即可求得 LED 的壽命。恒流驅(qū)動時， pn 結(jié)電壓與溫度具有良好的線性關(guān)系。通常 GaN 基的 LED 的光通量與 pn 結(jié)溫度的關(guān)系為負線性關(guān)系，而AIGalnP 基的 LED 的光通量與 pn 結(jié)溫度的關(guān)系為負指數(shù)關(guān)系。 熱分析涉及的相關(guān)理論有傳熱理論和有限元分析軟件 ANSYS，下面簡單介紹之。 高溫物體表面常常發(fā)生對流現(xiàn)象。 利用第三類邊界條 件，金屬熱沉以對流的方式與外界環(huán)境發(fā)生聯(lián)系 nTk??1 s =h(eT aT ) 其中： h是對流系數(shù)； eT 是器件邊界面的溫度； aT 是環(huán)境溫度。 文中 將采用 進行 LED 的熱分析，研究方法為有限元法，該方法已有實驗驗證了 LED 有限元模型與其真實器件之間的差別，證明其在誤差許可范圍內(nèi)是準確可行的 [15]。在本文中，由于 LED 在開始工作后，溫度場很快就穩(wěn)定，因此主要對 LED 進行穩(wěn)態(tài)熱分析。因此，模組的散熱包括三部分：模組各固體部件之間的熱傳導、散熱片與流體（空氣）之間的耦合傳熱、大氣的自然對流散熱。在散熱片的裸露 各 面上加上對流換熱邊界（這是是空氣的對流系數(shù)取 15 W/m在溫度場中， LED 的核心部分芯片的溫度較高，超出 人們所希望接受的 正常溫度 60℃，對 LED 的長期穩(wěn)定工作不利。 優(yōu)化設(shè)計 介紹 優(yōu)化設(shè)計是一種尋找確定最優(yōu)設(shè)計方案的技術(shù)。 經(jīng)分析 ， 此種原因是由于在熱量往翅片傳導的過程中，向下的面積突然減小，導致應(yīng)力陡增。隨著封裝單位體積熱量迅速第 20 頁 共 38 頁 增加，為避免因熱而失靈，必須了解封裝的散熱能力。吳慧穎等人利用有限元法對 1w 倒裝大功率白光 LED 的空間溫度場分布進行了模擬計算晰 [6]，模擬結(jié)果與測量的溫度分布相吻合，還研究了芯片尺寸與結(jié)區(qū)溫度的關(guān)系。通過友好的用戶界面，可以很容易獲得求解過程的計算結(jié)果并對其進行顯示。 ANSYS 軟件是集結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁場、聲場和耦合場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，涵蓋了機械、航空航天、能源、交通運輸、土木建筑、水利、電子、生物、醫(yī)學和教學等諸多領(lǐng)域在熱問題的處理上，通過對實際器件的離散化處理，把溫度場的分析轉(zhuǎn)化成對節(jié)點方程組的求解，代入邊界條件、負載情況和材料屬性，求解方程組，最后利用圖形技術(shù)顯示運算結(jié)果，即直觀地看出溫度分布。 圖 不同流體在不同條件下的對流換熱系數(shù) h ⑶ 熱 輻射 原理 絕對溫度零度以上的任何物體，都會不停地以電磁波的形式向外界輻射能量，同 時第 15 頁 共 38 頁 不斷吸收來自外界其他物體的輻射能。 ⑴ 熱傳導 原理 熱傳導可以定義為完全接觸的兩個物體之間或一個物體的不同部分之間由于溫度梯度而引起的內(nèi)能交換。 而 LED 在工作過程中產(chǎn)生的熱效應(yīng)對其發(fā)光效率、 PN 結(jié)的正向偏向、光色、光能量和壽命都有著重要的影響。 LED 熱效應(yīng)對發(fā)光效率的影響 當溫度 T上升時，頻率為 v 的光子輻射躍遷幾率隨著溫度的升高而減小，從而降低了芯片自身的發(fā)光效率。在外加電場作用下，電子與空穴的輻射復合而發(fā)生的電致作用將能量的 20%一 30%轉(zhuǎn)化為光能 (量子效應(yīng) )，而無輻射復合產(chǎn)生的晶格振 蕩將其余 70%一 80%的能量轉(zhuǎn)化為熱能。目前采用電流擴散層、高低電阻系數(shù)層、厚窗口層等方法可以促使電流擴散，提高 pn 結(jié)發(fā)光效率，利用布喇格反射層、透明襯底、表面電極吸收。若能產(chǎn)生可見光（波長在 380nm 紫光～ 780nm 紅光），半導體材料的 Eg應(yīng)在 ～ 之間。但大功率 LED 產(chǎn)生的熱量遠遠大于傳統(tǒng) LED，所以大功率 LED 若采用傳統(tǒng) LED 的封裝結(jié)構(gòu)，將會因散熱不良而導致芯片結(jié)溫迅速上升，并引起環(huán)氧樹脂碳化變黃，從而造成器件的光衰加速最后導致失效，甚至會因快速的熱膨脹所產(chǎn)生的應(yīng)力造成器件開路而報廢。下面我們將分別介紹 LED 的結(jié)構(gòu)、發(fā)光原理、主要參數(shù)性能、發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢。但也是因為應(yīng)用技術(shù)門坎較高，并受限于亮度不足，因此， 預計到 20xx 年時才可能出現(xiàn) LED 車頭燈商品化的產(chǎn)品。目前出現(xiàn)銅鋁復合型散熱器，即底部為銅，散熱片為鋁，具有良好的散熱性能和經(jīng)濟性。 第 4 頁 共 38 頁 錢可元、鄭代順等人 [4]提出，倒裝焊結(jié)構(gòu)在降低熱阻，提高器件散熱能力方面具有潛在的優(yōu)勢。而 LED 的散熱問題是影響 大功率 LED 發(fā)展的瓶頸問題之一， 現(xiàn)在全世界都在對 LED 散熱進行研究，并且也出現(xiàn)了很多不同的散熱方法，每一種散熱方式和理論都有它的優(yōu)越性，同時也都有一些局限性，低熱阻，散熱良好的產(chǎn)品是大功率 LED 的未來發(fā)展方向，對散熱技術(shù)的研究如何從結(jié)構(gòu)設(shè)計方面將不同的散熱技術(shù)整合優(yōu)化，達 到一個相對最佳的狀態(tài)，從而滿足大功率 LED 對散熱的要求，是對結(jié)構(gòu)設(shè)計提出的一個挑戰(zhàn)，如何通過優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高 LED 散熱的效率是研究的主要目標和方向。 與此同時，世界各國也一直在努力尋找更新的照明光源，新型的照明光源 LED（ Light Emitting Diode，發(fā)光二極管）發(fā)光產(chǎn)品在照明和裝飾領(lǐng)域逐漸受到世人的矚目。除節(jié)能與環(huán)保外， LED 照明還具有響應(yīng)速度快、無頻閃、長壽命、無輻射、無電磁干擾、無有毒氣體等優(yōu)點。編號： 畢業(yè) 設(shè)計說明書 題 目： 大 功率 LED 器件的封裝 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計 題目類型 ： ?理論研究 ?實驗研究 ?工程設(shè)計 ?工程技術(shù)研究 ?軟件開發(fā) 摘 要 本文以某大功率 LED 為背景，在查閱國內(nèi)外大量文獻的基礎(chǔ)上，經(jīng)過對各種參數(shù)化建模和優(yōu)化技術(shù)方法的探索和研究，提出了直接在有限元平臺上利用 APDL 語言進行其溫度場和應(yīng)力場分析的基礎(chǔ)上 ，對該 LED 結(jié)構(gòu)參數(shù) 優(yōu)化設(shè)計。 在同樣亮度下， LED 的電能消耗僅為白熾燈的八分之一，因此 LED 照明的應(yīng)用將大大節(jié)約能源，同時還將減少二氧化碳的排放量。在我國，目前的照明光源主要采用白熾燈、熒光燈 等傳統(tǒng)照明光源，這些光源在能耗、壽命、 環(huán)境保護等方面都 有不足，為此，我國在 1996 年就提出了“綠色照明工程”，主要就是為了解決與照明相關(guān)的能源供應(yīng)和經(jīng)濟效益問題。 第 3 頁 共 38 頁 課題的目的和意義 大功率 LED 光源研制的成功，為其以后在普通照明領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展創(chuàng)造了條件。較之傳統(tǒng)的正裝結(jié)構(gòu)，倒裝結(jié)構(gòu)可將 LED 的光效提高 70％[3]。但銅材料價格昂貴、易氧化，加工成本高。在車用照明中，車頭燈由于其需要光通量較大，潛在規(guī)模相當龐大，因此倍受 LED 廠商重視。 LED 以其工作電壓低、耗電量少、發(fā)光效率高、光色純、全固態(tài)、質(zhì)量輕、體積小、成本低、綠色環(huán)保等一系列優(yōu)點，成為 21 世紀最具發(fā)展前景的高技術(shù)領(lǐng)域之一。 普通 LED 封裝結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂的導熱性能很差，熱量只能通過芯片下面的兩個引腳散出，器件的熱阻達 150～ 250℃ /W。 當電能轉(zhuǎn)化為光能時，發(fā)出光能量大小為 h v（ h為普朗克常數(shù) ,v 為頻率）的光子，該能量相當于半導體材料的帶隙能量 Eg（亦稱半導體材料禁帶寬度），理論和實踐證明，發(fā)出的光的峰值波長λ與發(fā)光區(qū)域的半導體材料禁帶寬度 Eg有關(guān)，即 λ (nm)=(ev) 式中 Eg 的單位為電子伏特（ eV）。在量子效率相同的第 10 頁 共 38 頁 情況下，綠光具有最高的流明效率 [11]. 目前國內(nèi)外的研制者常常結(jié)合光學原理，在芯片的 外延結(jié)構(gòu)和工藝方法上進行探索，以制造出發(fā)光效率較高的 LED 芯片。 熱效應(yīng) 對 LED 的影響 發(fā)光二極管由 m 一 IV族化合物，如 GaP(磷化嫁 )、 GaAsP(磷砷化稼 )等半導體制成，其核心為 pn 結(jié)。通常 LED 的 Pn 結(jié)安全工作溫度為 120℃。發(fā)光強度、發(fā)光效率、壽命及 IV特性是 衡量 LED 性能的主要參數(shù)。所以在進行散熱設(shè)計時主要先從熱傳導方面考慮，熱量預先從 LED芯片中傳導到散熱器。圖 為不同流體在不同條件下的對流換熱系數(shù) h。 在實際問題中，由于系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)、功率器件的分布、環(huán)境條件等兇素，采用傳統(tǒng)的數(shù)值分析方法分析熱力學問題往往比較煩冗。 后處理模塊一可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢 量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示 (可看到結(jié)構(gòu)內(nèi)部 )等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。 等人研究了大功率 LED 陣列模塊封裝中的各種熱問題 [17]，分析不同功率、間距、熱對流系數(shù)對整 個 LED 系統(tǒng)的散熱影響。器件的熱特性直接影響到 LED 的節(jié)溫、發(fā)光波長、使用壽命等。 由 LED 應(yīng)力云圖 可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在熱沉的邊緣 翅片與基座的相接處，由左上角的數(shù)據(jù)同時可看出其 最大應(yīng)力為 。下面本章進行逐一解決對 LED 封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。在應(yīng)力場中，翅片與基座的連接處的應(yīng)力較