【文章內(nèi)容簡介】 xx 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，相當于一個多的三峽電站發(fā)電量。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％。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)性進展 [7]。 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。隨著采用 LED 燈的車輛逐年增加，預(yù)計今后每年的增長率為兩位數(shù)， 20xx 年時市場規(guī)模將突破 億美元。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。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(yù)計到 20xx 年時才可能出現(xiàn) LED 車頭燈商品化的產(chǎn)品。 總而言之，目前的大功率高亮度 LED 已經(jīng)在背光源、顯示屏、特種照明、信號燈等領(lǐng)域得到很好的推廣，普通照明和汽車前照燈等領(lǐng)域還處于剛剛起步的階段。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。 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?shù)拇螅渲写蟛糠侄家詿崃康男问缴l(fā)了出去，造成巨大的浪費。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。 本文的主要內(nèi)容是 通過對白光 LED 發(fā)光原理，散熱原理以及基本結(jié)構(gòu)的分析，建立熱學(xué)模型并進行分析。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。 過去對有關(guān)設(shè)計的計算量往往要幾天甚至幾年，由于現(xiàn)代計算機技術(shù)及數(shù)學(xué)理論的飛速發(fā)展，現(xiàn)在需要的時間已大大縮短。然則對于大功率 LED 的優(yōu)化設(shè)計， 一般來說，工作量巨大且煩瑣、重復(fù)性強，費時費力。重復(fù)性的再建模與再分析影響了設(shè)計的效率。 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)計模塊進行相關(guān)優(yōu)化。 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) 。 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。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。 2 大功率 LED 的基礎(chǔ)理論 LED 的簡介 LED 是英文 Light Emitting Diode（ 發(fā)光二極管 ）的縮寫 ，是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。 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。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。 LED 的結(jié)構(gòu) 發(fā)光二極管是一種注入電致發(fā)光器件，由 元素周期表中的Ⅲ族和 V族元素（稱為ⅢV族材料）組成，例如單色 LED 常用的砷化鎵 (GaAs)和磷化鎵 (GaP)材料。現(xiàn)在用于制造白光 LED 的材料主要是氮化鎵 (GaN)。對于 GaN 薄膜材料還沒有體單晶 GaN 可以進行同質(zhì)外延，而是依靠有機金屬氣相沉淀法 (MOCVD)在相關(guān)的異型支撐襯底上生成。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。藍寶石是目前 GaN 基 LED 的主要襯底材料，工藝發(fā)展成熟，在目前情況下，還沒有其他襯底材料可以代替它 [1]。 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(xué)方面的特性，所以要對 LED 進行封裝。LED 經(jīng)過 40 多年的發(fā)展，大致經(jīng)歷了 引腳 式 LED、普通貼片式 LED、功率 LED、大功率LED 等發(fā)展歷程，封裝技術(shù)主要有引腳式 LED、表面組裝式 LED、板載芯片式 LED、系統(tǒng)封裝 式 LED 等，如下面圖示 [2]。 圖 LED 封裝技術(shù)和結(jié)構(gòu)發(fā)展 引腳 式 LED 常用直徑在 35mm 的封裝結(jié)構(gòu)，主要用儀表顯示或指示。 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)。 具體而言，就是用特定的工具或設(shè)備將芯片引腳對準預(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械和電氣連接。 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。 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)。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。 SIPLED 封裝技術(shù)不僅可以在一個封裝內(nèi)組裝多個發(fā)光芯片，還可以將各種不同類型的器件集成在一起。 普通 LED 封裝結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂的導(dǎo)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。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(dǎo)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(dǎo)致失效，甚至?xí)蚩焖俚臒崤蛎浰a(chǎn)生的應(yīng)力造成器件開路而報廢。 PN結(jié)附近輻射出來的光還需經(jīng)過芯片本身的半導(dǎo)體介質(zhì)和封裝介質(zhì)才能抵達外界。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。 針對大功率 LED 封裝的散熱難題，人們分別在封裝結(jié)構(gòu)和材料等方面對器件的熱系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計一，并已取得了顯著的成效。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)。 LED 的發(fā)光機制 LED 是由化合物半導(dǎo)體材料制成，其核心是 PN 結(jié)。它具有一般 PN 結(jié)的特性，即正向?qū)?通， 反向截止 、擊穿特性。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。在正向電壓下，電子由 N 區(qū)注入 P 區(qū)，空穴由 P 區(qū)注入 N 區(qū)。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(fù)合而發(fā)光，如圖 [9]所示，光的強弱與電流有關(guān)。 第 9 頁 共 38 頁 圖 LED 發(fā)光機制 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。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。復(fù)合產(chǎn)生的能量以光或者熱的形式發(fā)散出來。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。由于復(fù)合是在少子擴散區(qū)內(nèi)發(fā)光的，所以光僅在靠近 PN 結(jié)面數(shù)微米以內(nèi)產(chǎn)生。 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(dǎo)體材料的帶隙能量 Eg（亦稱半導(dǎo)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(dǎo)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）。若能產(chǎn)生可見光（波長在 380nm 紫光～ 780nm 紅光），半導(dǎo)體材料的 Eg應(yīng)在 ～ 之間。通過選擇不同的帶隙寬度的材料 ,其發(fā)光譜可以從紅外、可見光到紫外波段。 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。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(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 。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(zhuǎn)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(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。 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。隨著能量損耗相關(guān)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(xué)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。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。目前的主流結(jié)構(gòu)有采用 GaP 厚窗口層的 InGaAIPLED 芯片結(jié)構(gòu)，采用 GaP透明襯底的 InGaAIPLED 芯片結(jié)構(gòu)以及采用 ITO 透明電極的 InGaAIPLED 芯片結(jié)構(gòu)。在19701990 年 LED 的發(fā)光效率提高得很慢， 199020xx 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(guān)，近似遵從如下規(guī)律 [11]: B(t)= 0B exp(tj/? ) 其中式中 0B 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 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。 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(xué)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(jié)制備性能的主要參數(shù)之一。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 。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