【導(dǎo)讀】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(jì)。溫度梯度比較大，而封裝陶瓷基板和熱沉基座是阻礙器件散熱的主要部分。幾種LED的優(yōu)化方案，并進(jìn)行了簡單分析。第一種情況：優(yōu)化目標(biāo)為芯片溫度，約束條件為各尺寸的范圍，在第7次達(dá)到優(yōu)化。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%。經(jīng)過13次后收斂，在第10次時(shí)最優(yōu)，重量值為；

　　

【正文】 內(nèi)熱源、接觸熱阻等問題。 對于 LED， ANSYS 可以做以下可靠性相關(guān)的工作：跌落分析，包裝設(shè)計(jì)、熱分析、電子封裝，熱結(jié)構(gòu)匹配。 文中 將采用 進(jìn)行 LED 的熱分析，研究方法為有限元法，該方法已有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了 LED 有限元模型與其真實(shí)器件之間的差別，證明其在誤差許可范圍內(nèi)是準(zhǔn)確可行的 [15]。 重要的是，本文就是利用 ANSYS 的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行有關(guān)封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。 Ansys 軟件主要包括三個(gè)部分 :前處理模塊，求解模塊和后處理模塊。 前處理模塊可創(chuàng)建實(shí)體模型及有限元模型，它包括創(chuàng)建實(shí)體模型、定義單元屬性、劃分網(wǎng)格等幾項(xiàng)內(nèi)容。現(xiàn)今大部分的有限元分析模型都用實(shí)體模型建模。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(diǎn)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(shí)體模型并不參與有限元分析，所有施加在幾何實(shí)體邊界上的載荷或約束必須傳遞到有限元模型上 (節(jié)點(diǎn)或單元上 )進(jìn)行求解。 求解模塊可進(jìn)行線性分析、非線性分析和高度非線性分析，熱分析是其中的一個(gè)分析計(jì)算模塊，程序可處理熱傳遞的三種基本類型 :傳導(dǎo)、對流和輻射 。熱傳遞的三種類型均可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)、線性和非線性分析 。熱分析還具有可以模擬材料固化和熔解過程的相變分析能力以及模擬熱與結(jié)構(gòu)應(yīng)力之間的熱一結(jié)構(gòu)禍合分析能力。 后處理模塊一可將計(jì)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(jì)算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。通過友好的用戶界面，可以很容易獲得求解過程的計(jì)算結(jié)果并對其進(jìn)行顯示。這些結(jié)果可能包括位移、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、速度及熱流等，輸出形式可以有圖形顯示和數(shù)據(jù)列表兩種。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。計(jì)算結(jié)果 (如應(yīng)力 )在模型上的變化情況可用等值線圖表示，不同的等值線顏色，代表了不同的值 (如應(yīng)力值 )。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(jì)算結(jié)果的區(qū)域分布情況。 ANSYS 熱分析可用于分析穩(wěn)態(tài)傳熱（即系統(tǒng)的溫度場不隨時(shí)間變化）和瞬態(tài)分析（即系統(tǒng)的溫度場隨時(shí)間明顯變化）的問題。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(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析。 利用 ANSYS 軟件進(jìn)行熱仿真的具體步驟如下 : ? 建立文件名和工作標(biāo)題 ：這項(xiàng)工作不是必須的，文件名是用來識(shí)別 ANSYS 作業(yè)的 ，標(biāo)題指定名稱； ? 選擇單元類型 ：每一種單元類型都有自己特定的編號(hào)和單元類型名，適用不同場合 ，在本文中就選擇 Solid70 單元 ； ? 定義材料性能參數(shù) ：在所有 的分析中都要輸入材料參數(shù)，根據(jù)分析問題的物理環(huán)境不同而不同 ； ? 建立幾何模型 ：可以在 ANSYS 中直接創(chuàng)建模型，也可以導(dǎo)入有關(guān)輔助軟件制作的模型 ； ? 賦材料屬性 ：只有對各體進(jìn)行材料屬性的賦予后，才能進(jìn)行計(jì)算分析 ； ? 劃分網(wǎng)格 ：有限元模型是將幾何模型劃分為有限個(gè)單元，單元間通過節(jié)點(diǎn)相連接，在每個(gè)單元和節(jié)點(diǎn)上求解物理問題的近似 ； ? 施加載荷并求解 ：定義分析類型和分析選項(xiàng)后，要加載 6大類載荷中的若干種，大部分可以施加到幾何模型上，也可以施加到有限元模型上。在執(zhí)行計(jì)算求解后，并將結(jié)果數(shù)據(jù)寫入結(jié)果文件和數(shù)據(jù)庫中 ； ? 查看溫度分布 圖 。 本章小結(jié) 本章主要介紹了 LED 熱分析的基礎(chǔ)知識(shí)和 ANSYS 軟件 。熱傳導(dǎo)、對流和輻射是散熱的三個(gè)基本途徑，而在本文中主要考慮前二者 ，可以將熱輻射忽略 。 ANSYS 是具有較強(qiáng)分析能力的通用軟件，可以很好地處理各種問題。深刻地熟悉 ANSYS 處理問題的基本步驟，對于掌握 ANSYS 及其運(yùn)用 很重要。 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。 等人論述了關(guān)于大功率 LED 器件級和系統(tǒng)級封裝過程中的熱問題 [16]，采用有限元法著 重比較不同芯片材料以及鍵合技術(shù)對 LED 散熱性能的影響。 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(gè) LED 系統(tǒng)的散熱影響。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(jìn)行了模擬計(jì)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。馬澤濤等人建立了基于熱傳導(dǎo)和對流條件下高功率 LED 的有限元數(shù)值模型 [18]，并比較芯片熱沉所采用的材料對整個(gè) LED 封裝結(jié)構(gòu)散熱性能的影響，最后還給出了 chip 一 on 一 board 封裝技術(shù)的有限元分析結(jié)果。 LED 燈具封裝模型的建立 本文采用 Lumileds公司型號(hào)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(gè)散熱片的散熱器，用來建立 進(jìn)行熱分析的 LED 封裝結(jié)構(gòu)模型 。 設(shè)芯片為均勻熱源，封裝模塊所處的溫度場為穩(wěn)態(tài)溫度場，各層材料均為各向同性的材料，且各層材料之間為理想接觸，即交界面上的接觸熱阻為零。對所用模型進(jìn)行適當(dāng)簡化： 倒裝 芯片 封埋在上部透明環(huán)氧樹脂時(shí)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。芯片產(chǎn)生的熱量絕大部分經(jīng)銀漿、 基板等傳導(dǎo)到散熱片上，然后通過散熱片向大氣散出。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(dǎo)、散熱片與流體（空氣）之間的耦合傳熱、大氣的自然對流散熱。 各封裝組件的主要尺寸：芯片為 l mm lmm 0 25mm；透鏡 (芯片上表面封裝用的透明樹脂 )為直徑 的半球；導(dǎo)電銀漿為 l mm lmm ；陶瓷基板為 15mm l5mm 2mm；粘結(jié)劑為 l5 mm l5 mm ；熱沉基座為 20 mm 20 mm 2 mm；翅片為 20 mm l6mm 1mm 所選 模型如下圖示： 第 19 頁 共 38 頁 圖 大功率 LED 模型 為方便進(jìn)行熱分拆， 確定 出此次情形 條件 ： ⑴ 熱由芯片有源層產(chǎn)生，傳熱方 式主要為傳導(dǎo)和對流； ⑵ 又由于器件溫度處于 200 攝氏度 以下，因此又可將熱輻射忽略不計(jì)； ⑶ 該溫度場是三維、穩(wěn)態(tài)、有內(nèi)熱源、常物性、第三類邊界條件的導(dǎo)熱問題 ； ⑷ 因塑料透鏡導(dǎo)熱系數(shù)很小且體積相對芯片很大，所以常把透鏡設(shè)為絕熱邊界 ； ⑸ 考慮到大多數(shù)使用情況， 由于注入電功率為 2W，一部分 電功率轉(zhuǎn)化為光功率，所以耗散熱功率實(shí)際上小于 2W，取發(fā)熱效率為 75%（即發(fā)光效率為 25%）； ⑹ 器件滿足使用 ANSYS 軟件對之進(jìn)行穩(wěn)態(tài)有限元熱分析的條件； ⑺ 最大結(jié)溫選擇為 120℃ ； ⑻ 封裝體外部各組件（包括 MCPCB、塑膠封裝、熱沉的外部）通過與空氣對流進(jìn)行散熱； 在 LED 表面給定第三類邊界條件 —— 環(huán)境溫度為 25℃，自然對流空氣熱導(dǎo)率為15W/m K； ⑼ 由于芯片內(nèi)有源層的組成材料基本相同（都為 GaN，只是摻 雜材料不同而略有不同），且各層的厚度尺寸極其微小， 因此在這里把多層結(jié)構(gòu)整合為一個(gè)有源層 ； ⑽ 電極結(jié)構(gòu)也忽略不計(jì)。 各種材料的參數(shù)如下表示： 表 各種材料參數(shù) 材料 熱導(dǎo)率 （ W/m K） 透鏡 芯片 82 導(dǎo)電銀漿 50 MCPCB 20 粘接劑 7 散熱片 （ 6061 鋁） 237 確立模型的各個(gè)尺寸大小后，利用 APDL 編寫有關(guān)程序后輸入 ANSYS 很容易建立起本文中的 LED 的模型，如圖 示 LED 燈具封裝穩(wěn)態(tài)溫度場及應(yīng)力場分析 本文將使用 ANSYS 軟件的熱分析模塊來討論在現(xiàn)有常見結(jié)構(gòu)下， 進(jìn)行 LED 封裝 的穩(wěn)態(tài)溫度場和應(yīng)力場分析。 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。不合理的熱設(shè)計(jì)將會(huì)誘發(fā)一系列的問題 :出現(xiàn)局部過熱，引起晶片結(jié)區(qū)的燒毀 。溫度分布不均，差異過大，影響信號(hào)的傳輸特征 。材料熱膨脹系數(shù)不匹配引起熱應(yīng)力，產(chǎn)生彎曲、 裂紋，甚至破壞。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。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。 ANSYS 進(jìn)行熱分析可分為 3 個(gè)步驟： ? 建模 ； ? 施加載荷計(jì)算 ； ? 后處理 。 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(shí)驗(yàn)方法準(zhǔn)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。通過數(shù)值有限元計(jì)算得到溫度場分布，雖然這并不一定是 LED 器件內(nèi)部的實(shí)際溫度，但是能大概得到其相對分布情況。 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。 根據(jù)表 所列的材料特性分別給各組件添加對應(yīng)的材料屬性， 在劃分網(wǎng)格時(shí)為獲得好的網(wǎng)格且占較小的系統(tǒng)資源，對各個(gè)組件逐一劃定（芯片的 網(wǎng)格較密 ）， 然后在芯片體上施加 6e9W/ 3m 的的 生熱率 熱載荷。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 K，環(huán)境溫度取 25℃），最后計(jì)算。 圖 LED 溫度場云圖 由于芯片為熱源，其對 LED 的壽命有著至關(guān) 重要的作用。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(gè)角落處，而 最高 溫度 為 ℃ ，此出現(xiàn)在上表面的中心處 。此最高溫度 有些 高， 不但要高于 人們希望接受的 工作 溫度 60℃，而 且 接近 熒光粉的安全工作溫度 90℃，芯片長期在此溫度下工作， 可能使環(huán)氧樹脂劣化而導(dǎo)致出光 效率降低或顏色發(fā)生變化，從而 會(huì)大第 21 頁 共 38 頁 大減少燈具的使用壽命。所以我們在后面的章節(jié)中，要對芯片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以降低高溫對 芯片和 熒光粉的危害。 LED 燈具封裝穩(wěn)態(tài)應(yīng)力場分析 在進(jìn)行大功率 LED 的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力場分析時(shí)，可以采用間接法進(jìn)行，即熱 — 應(yīng)力結(jié)構(gòu)耦合分析時(shí)，先 對封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱分析，然后將溫度分析得到的節(jié)點(diǎn)溫度作為“體載荷”施加到結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)上， 再施加位移約束 求解后就可以得到由于溫度分布不勻在結(jié)構(gòu)上所產(chǎn)生的熱應(yīng)力。 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)。 圖 LED 應(yīng)力云圖 與僅僅溫度場分析相比，除了要將熱單元轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)單元外，還要將從熱分析溫度結(jié)果文件（ *.rth）中讀入節(jié)點(diǎn)溫度。 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(shí)可看出其 最大應(yīng)力為 。 經(jīng)分析 ， 此種原因是由于在熱量往翅片傳導(dǎo)的過程中，向下的面積突然減小，導(dǎo)致應(yīng)力陡增。 另一個(gè)原因是，位移約束全部加在熱沉基座處。 故在后面的 優(yōu)化 中，會(huì)對應(yīng)力進(jìn)行優(yōu)化， 以 減小此處 的應(yīng)力，以提高 LED 的使用 壽命 。 本章小結(jié) 在本章中， 主要介紹 了本課題的 LED 模型以及對于該 LED 封裝的溫度場和熱應(yīng)力場的分析。 對 LED 進(jìn)行建模時(shí)，進(jìn)行了一些簡化處理。在一些假設(shè)條件下，完成對溫度場和應(yīng)力場的分析 。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。在應(yīng)力場中，翅片與基座的連接處的應(yīng)力較大。 第 22 頁 共 38 頁 此章主要為后面 一章做準(zhǔn)備，以此說明對該大功率 LED 做封裝結(jié)構(gòu)的必要性。 5 LED 的封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 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(gè)最好的方案， 這就是優(yōu)化問題。 目前，結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計(jì)日益受到重視。 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(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。 對于本文中的 LED 也是如此。 由第4章知，我們要對芯片的溫度和封裝體上的應(yīng)力進(jìn)行優(yōu)化，以 降低對 LED 的危害，從而提高 LED 的 長時(shí)間、可靠 穩(wěn)定工作。而且，這又要考慮到 LED 燈具本身的重量 ，不能使LED 太笨重 。下面本章進(jìn)行逐一解決對 LED 封裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 優(yōu)化設(shè)計(jì) 介紹 優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種尋找確定最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)。所謂最優(yōu)設(shè)計(jì)， 指的是一種方案可以滿足所有的設(shè)計(jì)要求， 而且所需的支出（如重量、面積、體積、應(yīng)力、費(fèi)用 ） 等最小，即其過程就是一個(gè)反復(fù)優(yōu)化改變設(shè)計(jì)變量以在滿足狀態(tài)變量限制條件下使目標(biāo)函數(shù)參數(shù)逼近最小值。 有限元分析過程中幾乎所有的設(shè)計(jì)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(jì)方案的分析過程。因此這些方面都可以優(yōu)化的，即實(shí)際上可