【正文】 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)。 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。 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。在19701990 年 LED 的發(fā)光效率提高得很慢， 199020xx 年則提高得很快 。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。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。 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(jué)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。 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。 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(lái)表達(dá)。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(méi)有一個(gè)固定的函數(shù)關(guān)系 。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)。 LED 的主要性能參數(shù) 發(fā)光強(qiáng)度 發(fā)光強(qiáng)度是用來(lái)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(lái)表示，位于法向方向光強(qiáng)最大，其與水平面交角為 90 度。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。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。復(fù)合產(chǎn)生的能量以光或者熱的形式發(fā)散出來(lái)。 第 9 頁(yè) 共 38 頁(yè) 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。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)。它具有一般 PN 結(jié)的特性，即正向?qū)?通， 反向截止 、擊穿特性。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)。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(wèn)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。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。 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。 第 8 頁(yè) 共 38 頁(yè) COBLED 是一種通過(guò)粘膠劑或爆料將 LED 芯片直接粘貼到 PCB 板上，再通過(guò)引線鍵全實(shí)現(xiàn)芯片與 PCB 板間電互連的封裝技術(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(guò)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。 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。 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。在襯底上依次鍍上 nGaN、 nAlGaN、 InGaN、 pAlGaN、 pGaN 等，再經(jīng)過(guò)劃片、封裝等一系列工藝過(guò)程才能夠完成?，F(xiàn)在用于制造白光 LED 的材料主要是氮化鎵 (GaN)。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)。 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。 本章小結(jié) 在本章中，著重討論了本課題的來(lái)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。 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。然則對(duì)于大功率 LED 的優(yōu)化設(shè)計(jì)， 一般來(lái)說(shuō)，工作量巨大且煩瑣、重復(fù)性強(qiáng)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。通過(guò)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。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。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(wèn)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(lái)越近。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。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。預(yù)計(jì)在未來(lái) 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]。 美國(guó)、日本等國(guó)家和臺(tái)灣地區(qū)對(duì) LED 照明效益進(jìn)行了預(yù)測(cè)，如果美國(guó) 55％的白熾燈及 55％的日光燈被 LED 取代，每年可節(jié)省 350 億美元電費(fèi)，減少 億噸二氧化碳排放量；日本 100％白熾燈換成 LED，可減少 1～ 2 座核電廠發(fā)電量，每年能節(jié)省 10 億公升以上的原油消耗；臺(tái)灣地區(qū) 25％白熾燈及 100％的日光燈被白光 LED 取代，每年可以節(jié)省 110 億度電；中國(guó)如果在 20xx 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(yè) 共 38 頁(yè) 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。 而 25lm 的光通量對(duì)于普通照明而言太小了，一只普通的 60W 白熾燈的光通量大于 700lm，也就是說(shuō)，要代替?zhèn)鹘y(tǒng)照明需要多個(gè) LED 器件，還要加上電路、燈殼、燈頭以及其它散熱處理等，如此高的成本是白光 LED 在普通照明中應(yīng)用的最大問(wèn)題。在普通照明市場(chǎng)上，也具有強(qiáng)大的市場(chǎng)潛力，但是受限于白光 LED 的發(fā)光效率和價(jià)格因素，在普通照明市場(chǎng)的占有率還比較低，因?yàn)橐@得與白熾燈、熒光燈等相同的照度，整個(gè)照明系統(tǒng)的成本很高。 市場(chǎng)與應(yīng)用前景 20xx 年全球高亮度 LED 市場(chǎng)規(guī)模從 20xx 年的 27億美元增長(zhǎng)到 37 億美元，增幅達(dá)37％。散熱器的肋片越多，其散熱表面積 越大，這樣熱量可以散發(fā)得更快。目前出現(xiàn)銅鋁復(fù)合型散熱器，即底部為銅，散熱片為鋁，具有良好的散熱性能和經(jīng)濟(jì)性。相比較而言，銅的導(dǎo)熱率比鋁的大，許多散熱能力超強(qiáng)的散熱器均采用純銅打造?，F(xiàn)在常用的散熱器材料主要是 鋁和銅。要在允許的溫度條件下將芯片耗散的熱量傳遞到大氣環(huán)境，可以采取下列方法加強(qiáng)傳導(dǎo)和對(duì)流散熱。 風(fēng)冷散熱器的原理很簡(jiǎn)單：芯片耗散的熱量通過(guò)粘接材料傳導(dǎo)到金屬底座上，再傳導(dǎo)到散熱片上，通過(guò)自然對(duì)流或強(qiáng)制對(duì)流把熱量散發(fā)到空氣中。如圖第 5 頁(yè) 共 38 頁(yè) [5] 散熱器的示意圖。 (a)正面出光大功率 LED 芯片結(jié)構(gòu)圖 (b)倒裝焊大功率 LED 芯片結(jié)構(gòu)圖 1GaN； 2藍(lán)寶石； 3粘接材料； 4基板 1藍(lán)寶石； 2GaN； 3焊接層； 4Si 襯底； 5粘接材料； 6基板 圖 正裝與倒裝焊 LED 芯片結(jié)構(gòu)示意圖 ⑶ 使用散熱器 目前常用于功率電子設(shè)備的散熱技術(shù)有風(fēng)冷、水冷、微管道散熱、熱管技術(shù)等。采用熱導(dǎo)率更高的粘接材料，同時(shí)減小粘接材料層的厚度，可以顯著降低倒裝焊LED 的熱阻，提高器件的散熱能力。 第 4 頁(yè) 共 38 頁(yè) 錢可元、鄭代順等人 [4]提出，倒裝焊結(jié)構(gòu)在降低熱阻，提高器件散熱能力方面具有潛在的優(yōu)勢(shì)。倒裝結(jié)構(gòu)有效地解決了 P 電極對(duì)光的吸收和散熱問(wèn)題，使大電流、大功率的 LED 成為可能。而采用倒裝結(jié)構(gòu)，光由透明的藍(lán)寶石襯底發(fā)出。傳統(tǒng)的正裝結(jié)構(gòu) LED 二極管 P電極上鍵合焊點(diǎn)和引線對(duì)光線的遮擋影響光提取效率，大約 30N 的光被 P電極吸收。 ⑴ 采用倒裝焊 為了提高功率型 LED 器件的散熱能力和出光效率， 常常從芯片的制作上，采用 倒裝焊芯片結(jié)構(gòu)。 在如今能源日益缺少、大功率 LED 日漸普及的大背景下，研究大功率 LED 的散熱，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)， 增大其散熱能力， 提高其壽命， 改善其電光轉(zhuǎn)換效率，從而更加適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展就有很大的意義。良好的可靠性能，不僅在于節(jié)省了人力成本，也節(jié)省了使用者的維護(hù)成本與商業(yè)效益。 一方面， 提高 LED 散熱 能力 ， 可以防止故障的發(fā)生， 對(duì)照明的正常使用、代替?zhèn)鹘y(tǒng)明明等方面有著重要的作用。而 LED 的散熱問(wèn)題是影響 大功率 LED 發(fā)展的瓶頸問(wèn)題之一， 現(xiàn)在全世界都在對(duì) LED 散熱進(jìn)行研究，并且也出現(xiàn)了很多不同的散熱方法，每一種散熱方式和理論都有它的優(yōu)越性，同時(shí)也都有一些局限性，低熱阻，散熱良好的產(chǎn)品是大功率 LED 的未來(lái)發(fā)展方向，對(duì)散熱技術(shù)的研究如何從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面將不同的散熱技術(shù)整合優(yōu)化，達(dá) 到一個(gè)相對(duì)最佳的狀態(tài)，從而滿足大功率 LED 對(duì)散熱的要求，是對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出的一個(gè)挑戰(zhàn)，如何通過(guò)優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高 LED 散熱的效率是研究的主要目標(biāo)和方向。 基于以上背景，我們 進(jìn)行 研究大功率 LED 的散熱 ， 改善其散熱性能， 以節(jié)約能源，保護(hù)環(huán)境，提高照明質(zhì)量。一方面功率越做越大， LED 封裝結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜；另一方面 LED 的體積越來(lái)越小，導(dǎo)致功率密度愈來(lái)愈大。對(duì)于 W 級(jí)（≧ 1W） 大功率 LED 而言，目前的電光轉(zhuǎn)換效率約為 15%，余下的 85%轉(zhuǎn)化為熱能，芯片的功率密度很大，造成巨大的浪費(fèi)。 LED 封裝技術(shù) 是決定 GaN 基 LED 進(jìn)入普通照明領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，并直接影響到 LED 的使用性能和壽命，一直是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。 最初 LED 作為儀器儀表的指示光源，光強(qiáng)較低。 我國(guó) 也 以 20xx 年北京奧運(yùn)會(huì)和 20xx 年上海世博會(huì)為契機(jī)，推動(dòng)半導(dǎo)體燈在城市景觀照明中的應(yīng)用。 LED 照明的應(yīng)用前景在全世界都掀起了高潮，被寄予了厚望。 與此同時(shí)，世界各國(guó)也一直在努力尋找更新的照明光源，新型的照明光源 LED（ Light Emitting Diode，發(fā)光二極管）發(fā)光產(chǎn)品在照明和裝飾領(lǐng)域逐漸受到世人的矚目。 課題的提出 隨著現(xiàn)代 經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展， 人類可利用的資源越來(lái)越少 ， 而 照明作為日常生產(chǎn)生活中所不可缺少的部分， 人們也越發(fā)對(duì)該能源的消耗日益重視起來(lái)。 第五章 LED 的封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) 主要對(duì)軟件 ANSYS 優(yōu)化模塊的具體運(yùn)用，完成對(duì)芯片溫 度、結(jié)構(gòu)重量和 應(yīng)力的優(yōu)化，使 LED 達(dá)到合理的封裝結(jié)構(gòu)。 第三章 大功率 LED熱分析基礎(chǔ)知識(shí)和通用軟件 ANSYS 簡(jiǎn)介 主要對(duì) ANSYS 的基礎(chǔ)熱分析理論知識(shí)和有限元軟件 ANSYS 的介紹。 對(duì)于 LED 取代傳統(tǒng)光源，節(jié)約能源有重要意義， 對(duì)于 LED 實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。因此由于溫度升高而產(chǎn)生的各種熱效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響到 LED 器件的使用壽命和可靠性。隨著芯片技術(shù)的日益成熟，單個(gè) LED 芯片的輸入功率可以進(jìn)一步提高到5W 甚至更高，因此防止 LED 的熱量累積變得越來(lái)越重要。而用于照明的高功率 LED 發(fā)展的瓶頸之一是器件的散熱問(wèn)題。除節(jié)能與環(huán)保外， LED 照明還具有響應(yīng)速度快、無(wú)頻閃、長(zhǎng)壽命、無(wú)輻射、無(wú)電磁干擾、無(wú)有毒氣體等優(yōu)點(diǎn)。 LED 照明作為一種新型、十分有發(fā)展?jié)摿Φ母甙l(fā)光效率、環(huán)保固體發(fā)光光源應(yīng)運(yùn)而生。 Structural optimization目 錄 引言 ....................................................... 1 1 緒論 ..................................................... 2 概述