【文章內(nèi)容簡介】 于法向方向光強最大，其與水平面交角為90度。當角度偏離正法向，光強也隨之變化。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)。發(fā)光強度的角分布是描述LED發(fā)光在空間各個方向上光強分布特性，主要取決于封裝的工藝(包括支架、模粒頭、環(huán)氧樹脂中添加散射劑與否)「10]，這個參數(shù)有著很重要的實際意義，因為直接影響到LED顯示裝置的最小觀察角度。對于光通量相同的LED，角度越大，對應的發(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)關系。為了獲得高指向性的角分布，通常采用LED管芯位置離模粒頭遠些、使用圓錐狀(子彈頭)的模粒頭以及封裝的環(huán)氧樹脂中不添加散射劑燈措施。 發(fā)光效率發(fā)光效率幾是LED的一個重要的性能指標，用lm/W來表達。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。內(nèi)量子效率和外量子效率都反映了LED的光電轉換效率。一般來說，發(fā)光效率是指外量子效率。由于流明效率除了和LED的外量子效率有關外，還與人的視覺函數(shù)有關，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注。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等幾個效率的大小。隨著能量損耗相關效率的逐步提升，LED器件流明效率也朝著其極限值—光譜流明效率逐步提高。在量子效率相同的情況下，綠光具有最高的流明效率[11].目前國內(nèi)外的研制者常常結合光學原理，在芯片的外延結構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。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結發(fā)光效率，利用布喇格反射層、透明襯底、表面電極吸收。目前的主流結構有采用GaP厚窗口層的InGaAIPLED芯片結構，采用GaP透明襯底的InGaAIPLED芯片結構以及采用ITO透明電極的InGaAIPLED芯片結構。在19701990年LED的發(fā)光效率提高得很慢，19902008年則提高得很快。 壽命我們把LED的亮度衰減到初始亮度的一半所需時間稱為LED的壽命。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。器件老化程度與外加恒流源的電流密度有關，近似遵從如下規(guī)律[11]:B(t)=exp(tj/)其中式中是初始亮度，B(t)是老化時間為t的亮度，j是外加恒流源的電流密度，是老化時間常數(shù)。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，再點燃～小時后，測得B（）和B（），代入公式求得；再令B(t)= /2代入公式，即可求得LED的壽命。長期以來，對于小功率LED而言，普遍壽命為10“小時。隨著瓦級大功率LED的研發(fā)，國外學者認為以LED的光衰減百分比數(shù)值作為壽命的依據(jù)，如LED的光衰減為初始亮度的35%，壽命大于60000小時。 IV特性LED的IV特性也是表征LED芯片PN結制備性能的主要參數(shù)之一。由于核心部分均為PN結，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):單向導通性，即Pn結正偏時表現(xiàn)低接觸電阻，反偏時表現(xiàn)為高接觸電阻，[l2]，其中b點對應于LED的正向開啟電壓氣，c點對應于LED的反向擊穿電壓K，不同的LED對應的開啟電壓也不同，如GaAs為I v,。電流I與外加電壓v呈指數(shù)關系如圖示：正向工作區(qū)：正向工作區(qū):，當V氣的時候，I隨著V成指數(shù)形式增加；截止區(qū):，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]。當嶺V0時，Pn結反偏，這時引入另外一個表征I一V特性的關鍵指標反向漏電流Ir，一般定義為當LED的反偏電壓為一SV時，流過LED兩端的電流。Ir的大小能夠反應出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。反向擊穿區(qū):如普通半導體二極管一樣，LED也存在反向擊穿現(xiàn)象，當V代時，隨著V逐漸減小，會出現(xiàn)LED電流反向急劇增大，而V減小的變化很小的現(xiàn)象[l2]。 熱效應對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。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%轉化為光能(量子效應)，而無輻射復合產(chǎn)生的晶格振蕩將其余70%一80%的能量轉化為熱能。與傳統(tǒng)的照明器件不同，白光LED的發(fā)光光譜中不包含紅外部分，所以其熱量不能依靠輻射釋放。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。對于多個白光LED陣列式照明系統(tǒng)而言，熱量的耗散問題更嚴重。以下的部分將對熱效應對LED產(chǎn)生的影響進行討論。 LED熱效應對PN結正向偏壓的影響LED額定工作電流一般為幾十甚至幾百毫安，在這種情況下，由于Pn結的歐姆接觸引起的壓降不容忽略[18]。恒流驅動時，pn結電壓與溫度具有良好的線性關系。恒壓驅動時，隨著溫度的升高，Pn結兩邊的熱平衡少子濃度相應增加，從而導致Pn結的反向飽和電流Is增大。溫度每升高10℃，Is約增加一倍。雖然。“T隨溫度升高而減小，但不如Is隨溫度升高得快，因此Pn結的正向驅動電流隨溫度的上升而增大，從而促使Pn結溫度更高，造成惡性循環(huán)。如果pn結溫度持續(xù)上升，熱平衡少子濃度進一步增加。本征激發(fā)很快增加，本征激發(fā)的載流子濃度遠遠大于雜質(zhì)濃度，本征激發(fā)占支配地位，pn結的歐姆接觸電阻隨著溫度急劇下降。在極端情況下，雜質(zhì)半導體就變得與本征半導體相似，Pn結也就不存在了。因此，為了保證Pn結正常工作，就有一個最高工作溫度的限制。通常LED的Pn結安全工作溫度為120℃。 LED熱效應對發(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。根據(jù)電子能帶圖可以知道，Pn結的溫升降低了輻射復合率，從而降低了LED發(fā)光效率。此外，除了溫升會導致芯片自身的發(fā)光效率降低，還伴隨著溫升，導致芯片的發(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，進一步地降低了白光LED的發(fā)光效率。因此，一般說來，Pn結結溫應保持在120℃才能避免LED器件性能下降甚至失效。 LED熱效應對光能量的影響LED光通量的輸出隨著Pn結溫度的升高而單調(diào)下降。不同材料系，其輸出光通量對于Pn結溫度的溫度系數(shù)不同，即使對于同一材料系而言，由于各組分的比例不同，其溫度系數(shù)也不同。通常GaN基的LED的光通量與pn結溫度的關系為負線性關系，而AIGalnP基的LED的光通量與pn結溫度的關系為負指數(shù)關系。GaN基LED的光通量隨pn結溫度變化很小，如藍光LED，當Pn結結溫在一20℃一120℃之間變化時，光通量的變化不到10%，相反，對于AIGalnP基的紅光、綠光、藍光LED而言，pn結溫度為80℃時的光通量都只有結溫為25℃時的50%[13]。 LED熱效應對光色的影響一般情況下，常溫下的光色最為純正，當Pn結溫度發(fā)生變化時，LED的主波長也會產(chǎn)生一定的變化，即LED的光色也會發(fā)生一定變化。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，[14]。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結結溫每升高10℃，主波長向長波長方向移動2nm。 環(huán)氧樹脂熱膨脹系數(shù)隨溫度變化曲線 LED熱效應對壽命的影響Pn結結溫上升時，容易導致芯片、環(huán)氧樹脂和導線(金線或鋁線)等材料物理特性發(fā)生變化，從而導致環(huán)氧樹脂老化，導線接觸不良甚至斷裂，進而影響LED器件的可靠性，甚至失效。我們知道環(huán)氧樹脂存在一個玻璃轉換溫度。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致導線鍵合點位移增大，造成導線過早疲勞甚至斷裂。 本章小結本章中簡要介紹了LED的基礎理論知識，LED是一種固態(tài)注入電致半導體器件，電子和空穴的復合產(chǎn)生光。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)。而LED在工作過程中產(chǎn)生的熱效應對其發(fā)光效率、PN結的正向偏向、光色、光能量和壽命都有著重要的影響。因此，我們要對大功率LED進行熱場分析，并進行相關的封裝結構優(yōu)化設計。3 大功率LED熱分析基礎理論和通用軟件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。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。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，還可能導致焊錫的融化，使芯片失效。因此了解大功率LED的散熱熱分析很重要。熱分析涉及的相關理論有傳熱理論和有限元分析軟件ANSYS，下面簡單介紹之。 LED散熱基礎知識熱力學分析用于計算一個系統(tǒng)或部件的溫度分布及其他熱物理參數(shù)，如熱量的獲取或損失、熱梯度、熱流密度（熱能量）等。它是基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元計算各節(jié)點的溫度，并導出其他物理參數(shù)。熱力學分析在實際工程中是很重要的，例如對燃氣輪機、電子設備、換熱器、各種工業(yè)爐等。熱分析往往不是獨立的，熱分析完成后可以進行結構應力分析，計算由于熱膨脹或收縮引起的熱應力等。散熱的基本途徑主要有以下三種：熱傳導、對流、輻射。與其他固體半導體器件相比，LED器件對溫度的敏感性更強。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基本可以忽略不計。傳導和對流對LED散熱比較重要。所以在進行散熱設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。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。其實質(zhì)是當不同溫度的分子接近時，由于高溫快速分子與低溫低速分子間發(fā)生完全彈性碰撞或因自由電子的轉移而產(chǎn)生能量轉移的現(xiàn)象。熱傳導遵循傅立葉定律: Q=dT/dx 式中Q為熱流密度，為導熱系數(shù)，dT/dx為法向溫度梯度。傅立葉定律指出，熱流密度正比于傳熱面的法向溫度梯度，式中負號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。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。簡而言之，是當一熱金屬板與冷流體（液體或氣體）接觸時，靠近熱金屬板的流體膜由于液體的熱傳導而溫度上升，流體膜溫度上升造成體積膨脹，以致于發(fā)生冷熱流體混合的現(xiàn)象。高溫物體表面常常發(fā)生對流現(xiàn)象。這是因為高溫物體表面附件的空氣因受熱而膨脹，密度降低并向上流動。與此同時，密度較大的冷空氣下降并代替原來的受熱空氣。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。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(諸如風扇等)，則此種熱對流稱為強制對流。 熱對流分析圖熱對流用牛頓冷卻方程來描述：Q=h()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)，為固體表面的溫度，為周圍流體的溫度。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。熱對流可以通過以下效果圖形象表示。熱功率：P=hA,則熱阻R==可知增大對流換熱系數(shù)h會減小對流引起的熱阻，其大小跟冷卻流體的類型、速度、接觸界面以及流動方式等方面有關。 不同流體在不同條件下的對流換熱系數(shù)h⑶ 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，同時不斷吸收來自外界其他物體的輻射能。當物體向外界輻射的能量與其從外界吸收的輻射能不相等時，該物體與外界就產(chǎn)生熱量的傳遞。與其他固體半導體器件相比，LED器件對溫度的敏感性更強。對于傳統(tǒng)光源，燈絲溫度通常在2000℃左右，可以產(chǎn)生很強的熱輻射將熱量散出。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基本可以忽略不計，傳導和對流是LED散熱比較重要的方式。 有限元理論簡介由熱力學第一定律和傅立葉定律，得到導熱微分方程為 K(+=0=（邊界面上熱流量連續(xù)）= （邊界面上溫度連續(xù)）其中：T是溫度；是單位體積的產(chǎn)熱率；k是熱導率；s是邊界面。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 =h()其中：h是對流系數(shù)；是器件邊界面的溫度；是環(huán)境溫度。對于內(nèi)部結構復雜的器件，由于系統(tǒng)的幾何結構、材料參數(shù)、功率器件的分布、環(huán)境條件等因素，直接求解方程級過于繁瑣，因此在計算機上使用FEM軟件模擬計算空間溫度場的分布。，將著重介紹FEM中具有代表性的有限元模擬軟件—ANSYS。 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。還有一些專門用來進行熱分析的軟件，如FLOMERICS公司的flotherm等。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。ANSYS軟件含有多種分析能力，包括從簡單線性靜態(tài)分析到復雜非線性動態(tài)分析?？捎脕砬蠼饨Y構、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。它包含了前處理、解題程序以及后處理和優(yōu)化等模塊，將有