【正文】 有限元分析過程中幾乎所有的設計量，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計方案的分析過程。 優(yōu)化設計 介紹 優(yōu)化設計是一種尋找確定最優(yōu)設計方案的技術(shù)。而且，這又要考慮到 LED 燈具本身的重量 ，不能使LED 太笨重 。 對于本文中的 LED 也是如此。 目前，結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設計日益受到重視。 第 22 頁 共 38 頁 此章主要為后面 一章做準備，以此說明對該大功率 LED 做封裝結(jié)構(gòu)的必要性。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。 對 LED 進行建模時，進行了一些簡化處理。 故在后面的 優(yōu)化 中，會對應力進行優(yōu)化， 以 減小此處 的應力，以提高 LED 的使用 壽命 。 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，導致應力陡增。 圖 LED 應力云圖 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)點溫度。 LED 燈具封裝穩(wěn)態(tài)應力場分析 在進行大功率 LED 的穩(wěn)態(tài)應力場分析時，可以采用間接法進行，即熱 — 應力結(jié)構(gòu)耦合分析時，先 對封裝結(jié)構(gòu)進行熱分析，然后將溫度分析得到的節(jié)點溫度作為“體載荷”施加到結(jié)構(gòu)的節(jié)點上， 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)生的熱應力。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)氧樹脂劣化而導致出光 效率降低或顏色發(fā)生變化，從而 會大第 21 頁 共 38 頁 大減少燈具的使用壽命。 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。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 本文中無論是在溫度場中，還是在應力場 （只需利用一條 APDL 指令便可將該單元轉(zhuǎn)為相應的結(jié)構(gòu)單元） 中，都選取合適的傳熱分析單元 Solid70。 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)復雜，難以 用實驗方法準確測量其內(nèi)部溫度、應力的分布，而用有限元分析可以預測器件內(nèi)部的溫度、應力等物理量的變化。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。材料熱膨脹系數(shù)不匹配引起熱應力，產(chǎn)生彎曲、 裂紋，甚至破壞。不合理的熱設計將會誘發(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 。 K） 透鏡 芯片 82 導電銀漿 50 MCPCB 20 粘接劑 7 散熱片 （ 6061 鋁） 237 確立模型的各個尺寸大小后，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， 進行 LED 封裝 的穩(wěn)態(tài)溫度場和應力場分析。 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)整合為一個有源層 ； ⑽ 電極結(jié)構(gòu)也忽略不計。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。對所用模型進行適當簡化： 倒裝 芯片 封埋在上部透明環(huán)氧樹脂時在，芯片通過導電 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。 LED 燈具封裝模型的建立 本文采用 Lumileds公司型號為 LXK2PWC40160的白光 LED倒裝焊接在覆有絕緣層的氧化鋁 基 MCPCB 為例，下加具有五個散熱片的散熱器，用來建立 進行熱分析的 LED 封裝結(jié)構(gòu)模型 。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。 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。深刻地熟悉 ANSYS 處理問題的基本步驟，對于掌握 ANSYS 及其運用 很重要。熱傳導、對流和輻射是散熱的三個基本途徑，而在本文中主要考慮前二者 ，可以將熱輻射忽略 。在執(zhí)行計算求解后，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 。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。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) (如應力范圍 )，清晰地反映了計算結(jié)果的區(qū)域分布情況。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。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。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)應力之間的熱一結(jié)構(gòu)禍合分析能力。 求解模塊可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析，熱分析是其中的一個分析計算模塊，程序可處理熱傳遞的三種基本類型 :傳導、對流和輻射 。現(xiàn)今大部分的有限元分析模型都用實體模型建模。 Ansys 軟件主要包括三個部分 :前處理模塊，求解模塊和后處理模塊。 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]。此外，還可以分析相變、有內(nèi)熱源、接觸熱阻等問題。 在 ANSYS／ Multiphysics、 ANSYS／ Mechanical、 ANSYS／ Thermal、ANSYS/FLOTRAN、 ANSYS／ ED 五種產(chǎn)品中包含熱分析功能，其中 ANSYS／ FLOTRAN 不含相變熱分析。 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。它包含了前處理、解題程序以及后處理和優(yōu)化等模塊，將有限元分析、計算機圖形學和優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，已成為現(xiàn)代工第 16 頁 共 38 頁 程學問題必不 可少的有力工具。 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。還有一些專門用來進行熱分析的軟件，如FLOMERICS 公司的 flotherm 等。 下面在 節(jié)中，將著重介紹 FEM 中 具有代表性 的 有限元模擬 軟件 —ANSYS。 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。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 。 與其他固體半導體器件相比， LED 器件對溫度的敏感性更強。 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。 熱功率： P=hA T? ,則熱阻 R=hAT? =hA1 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(guān)。 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(guān)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。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。與此同時，密度較大的冷空氣下降并代替原來的受熱空氣。 高溫物體表面常常發(fā)生對流現(xiàn)象。 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。 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。 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。傳導和對流對 LED 散熱比較重要。與其他固體半導體器件相比， LED 器件對溫度的敏感性更強。熱分析往往不是獨立的，熱分析完成后可以進行結(jié)構(gòu)應力分析，計算由于熱膨脹或收縮引起的熱應力等。 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。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 。 第 13 頁 共 38 頁 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。 而 LED 在工作過程中產(chǎn)生的熱效應對其發(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。 本章小結(jié) 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。我們知道環(huán)氧樹脂存在一個玻璃轉(zhuǎn)換溫度，如圖 所示。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(jié)結(jié)溫每升高 10℃，主波長向長波長方向移動 2nm。 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(jié)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。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。 LED 熱效應對光能量的影響 LED 光通量的輸出隨著 Pn結(jié)溫度的升高而單調(diào)下降。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，進一第 12 頁 共 38 頁 步地降低了白光 LED 的發(fā)光效率。 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。因此，為了保證 Pn 結(jié)正常工作，就有一個最高工作溫度的限制。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(jié) 的歐姆接觸電阻隨著溫度急劇下降。“ T 隨溫度升高而減小，但不如 Is 隨溫度升高得快，因此 Pn 結(jié)的正向驅(qū)動電流隨溫度的上升而增大，從而促使 Pn 結(jié)溫度更高，造成惡性循環(huán) 。溫度每升高 10℃， Is 約增加一倍。恒流驅(qū)動時， pn 結(jié)電壓與溫度具有良好的線性關(guān)系。以下的部分將對熱效應對 LED 產(chǎn)生的影響進行討論。 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。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 )，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。 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]。當嶺 V0 時， Pn 結(jié)反偏，這時引入另外一個表征 I 一 V特性的關(guān)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。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,GaAsP 為 ， GaP 為 ， GaN 為 。隨著瓦級大功率 LED