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正文內(nèi)容

基于ansys大功率led器件的封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)_畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書(編輯修改稿)

2024-08-16 11:12 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 xx 年 LED 照明能夠占領(lǐng)我國(guó) 1/3 的照明市場(chǎng),每年就第 6 頁 共 38 頁 可以節(jié)約 1000 億度電,相當(dāng)于一個(gè)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(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%。預(yù)計(jì)在未來 5年內(nèi) LED 在照明市場(chǎng)應(yīng)用將取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展 [7]。 另外一個(gè) LED 應(yīng)用發(fā)展最快的就是車用照明, 20xx 年市場(chǎng)規(guī)模為 億美元, 20xx年比 20xx 年增長(zhǎng) %,市場(chǎng)規(guī)模為 億美元, 20xx 年比 20xx 年增長(zhǎng) %,市場(chǎng)規(guī)模為 億美元。隨著采用 LED 燈的車輛逐年增加,預(yù)計(jì)今后每年的增長(zhǎng)率為兩位數(shù), 20xx 年時(shí)市場(chǎng)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(dāng)龐大,因此倍受 LED 廠商重視。但也是因?yàn)閼?yīng)用技術(shù)門坎較高,并受限于亮度不足,因此, 預(yù)計(jì)到 20xx 年時(shí)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(hào)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(huì)對(duì)傳統(tǒng)的照明光源提出挑戰(zhàn), LED 成為普通照明光源的時(shí)日會(huì)越來越近。 本文的主要研究?jī)?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)。而大功率 LED 照明對(duì)現(xiàn)代社會(huì)亦越發(fā)重要,因 此研究大功率LED 的散熱,并對(duì)其封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì), 減少對(duì)芯片的危害,提高大功率 LED 壽命,對(duì)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(duì)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(jìn)行分析。通過對(duì)制約散熱的條件闡述,研究設(shè)計(jì) LED 的 封裝 結(jié)構(gòu),最終達(dá)到優(yōu)化散熱系統(tǒng),達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)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(duì)有關(guān)設(shè)計(jì)的計(jì)算量往往要幾天甚至幾年,由于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)學(xué)理論的飛速發(fā)展,現(xiàn)在需要的時(shí)間已大大縮短。然則對(duì)于大功率 LED 的優(yōu)化設(shè)計(jì), 一般來說,工作量巨大且煩瑣、重復(fù)性強(qiáng),費(fèi)時(shí)費(fèi)力。重復(fù)性的再建模與再分析影響了設(shè)計(jì)的效率。 針對(duì) 這種情況,本文提出直接在有限元分析軟件 ANSYS 的平臺(tái)上,實(shí)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(duì)熱場(chǎng)模擬仿真 (溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)) 的基礎(chǔ) 上 , 并利用 ANSYS 的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行相關(guān)優(yōu)化。 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) 。 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(guó)內(nèi)外對(duì) 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(hù)環(huán)境,提高照明質(zhì)量,逐漸向第 7 頁 共 38 頁 各個(gè)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(jiǎn)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(diǎn),成為 21 世紀(jì)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(shì)。 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(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。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(lán)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(hù) LED 芯片不會(huì)因受機(jī)械、熱、潮濕及其它的外部沖擊,同時(shí)確保芯片和電路間的電氣和機(jī)械性的正確接觸,以及考慮其光學(xué)方面的特性,所以要對(duì) LED 進(jìn)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(duì)準(zhǔn)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(jī)械和電氣連接。 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。 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(shí)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(gè)封裝內(nèi)組裝多個(gè)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(gè)引腳散出,器件的熱阻達(dá) 150~ 250℃ /W。但大功率 LED 產(chǎn)生的熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(huì)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(bào)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(dá)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(diǎn)陣振動(dòng)的形式轉(zhuǎn)化為熱量,溫度升高,會(huì)增加非輻射復(fù)合,進(jìn)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(jì)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(jì)等。 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。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(jī)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(jī)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(jìn)入對(duì)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(qiáng)弱與電流有關(guān)。 第 9 頁 共 38 頁 圖 LED 發(fā)光機(jī)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(jià)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(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。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(duì)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(kuò)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(dāng)電能轉(zhuǎn)化為光能時(shí),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(dāng)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(shí)踐證明,發(fā)出的光的峰值波長(zhǎng)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(zhǎng)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(qiáng)度 發(fā)光強(qiáng)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(qiáng)弱,通常用法向光強(qiáng)來表示,位于法向方向光強(qiáng)最大,其與水平面交角為 90 度。當(dāng)角度偏離正法向,光強(qiáng)也隨之變化。由于 LED 在不同的空間角度光強(qiáng)相差很大,因此發(fā)光強(qiáng)度是一個(gè)同半有寬度和光強(qiáng)角分布聯(lián)系密切的特征參數(shù)。發(fā)光強(qiáng)度的角分布是描述 LED 發(fā)光在空間各個(gè)方向上光強(qiáng)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(gè)參數(shù)有著很重要的實(shí)際意義,因?yàn)橹苯佑绊懙?LED 顯示裝置的最小觀察角度 。對(duì)于光通量相同的 LED,角度越大,對(duì)應(yīng)的發(fā)光強(qiáng)度越小,但由于光強(qiáng)角分布的不 同,光強(qiáng)和半角寬度二者之間沒有一個(gè)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(yuǎn)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(gè)重要的性能指標(biāo),用 lm/W 來表達(dá)。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(duì)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(gè)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(guó)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(jìn)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(kuò)散層、高低電阻系數(shù)層、厚窗口層等方法可以促使電流擴(kuò)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(shí)間稱為 LED 的壽命。 LED 發(fā)光亮度隨著長(zhǎng)時(shí)間工作而出現(xiàn)光強(qiáng)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(shí)間為 t 的亮度, j是外加恒流源的電流密度,? 是老化時(shí)間常數(shù)。 測(cè)量 LED 的壽命要花很長(zhǎng)時(shí)間,通常以以下方法測(cè)量 :給 LED 通以電流密度為 j 的恒流源,先測(cè)得 0B ,再點(diǎn)燃 310 ~ 410 小時(shí)后,測(cè)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(zhǎng)期以來,對(duì)于小功率 LED 而言,普遍壽命為 10“小時(shí)。隨著瓦級(jí)大功率 LED 的研發(fā),國(guó)外學(xué)者認(rèn)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(shí)。 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裕?Pn 結(jié)正偏時(shí)表現(xiàn)低接觸電阻,反偏時(shí)表現(xiàn)為高接觸電阻,如圖 所示 [l2],其中 b點(diǎn)對(duì)應(yīng)于 LED 的正向開啟電壓氣, c 點(diǎn)對(duì)應(yīng)于 LED 的反向擊穿電壓 K,不同的 LED對(duì)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(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
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