【正文】 es 應(yīng)力， 當(dāng)優(yōu)化目標(biāo)為封裝應(yīng)力時(shí)，約束條件取各尺寸范圍，狀態(tài)變量分別為芯片溫度和結(jié)構(gòu)重量，在達(dá)到最優(yōu)時(shí)，最大應(yīng)力為，降幅達(dá) %。 Thermal dissipation。 ANSYS?，F(xiàn)在通用的照明燈具的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)十分成熟，且耗電量大、發(fā)光效率低、壽命短，其發(fā)光效率及照明效果都無法再有較大程度的提升。 在同樣亮度下， LED 的電能消耗僅為白熾燈的八分之一，因此 LED 照明的應(yīng)用將大大節(jié)約能源，同時(shí)還將減少二氧化碳的排放量。而且，該 光源還具有體積小、重量輕、免維護(hù)、易控制、使用安全、光效強(qiáng)，以及能適應(yīng)各種惡劣條件等優(yōu)點(diǎn)。目前 ,比較成熟的商品化功率型 LED 輸入功率一般為 1W，芯片面積為 1mm1mm，其熱流密度達(dá)到了 100W/c 2m 。如果不能有效地耗散這些熱量，隨之而來的熱效應(yīng)將會(huì)變得非常明顯：結(jié)溫升高，直接減少芯 片出射的光 子，取光效率降低；溫度的升高會(huì)使得芯片的發(fā)射光譜發(fā)生偏 移，色溫質(zhì)量下降，尤其是對(duì)基于藍(lán)光 LED 激發(fā)黃色熒光粉的白光 LED 器件更為嚴(yán)重，其中熒光粉的轉(zhuǎn)換效率也會(huì)隨著溫度升高而降低 [1]。 本文通過 利用 APDL 進(jìn)行參數(shù)化編程 ， 進(jìn)而在對(duì)所選 LED 進(jìn)行溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上，從三個(gè)方面優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)， 從而提高白光 LED 器件的性能和使用 壽命。 本文章節(jié)分布如下： 第 一章 緒論 主要介紹本課題的來源、提出該課題的原因、課題的目的和意義； 第二章 大功率 LED 的基礎(chǔ)理論 主要介紹大功率 LED 的結(jié)構(gòu)、發(fā)光機(jī)制、主要性能參數(shù)和熱效應(yīng)對(duì)其影響。 第四章 LED有限元模型熱場(chǎng)仿真分析 主要對(duì)所選 LED建模和對(duì) LED溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的分析，為后面的封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)作鋪墊。 第 2 頁 共 38 頁 1 緒論 概述 課題來源 本課題來源于桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 06 級(jí)微電子制造工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目 。在我國，目前的照明光源主要采用白熾燈、熒光燈 等傳統(tǒng)照明光源，這些光源在能耗、壽命、 環(huán)境保護(hù)等方面都 有不足，為此，我國在 1996 年就提出了“綠色照明工程”，主要就是為了解決與照明相關(guān)的能源供應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益問題。 LED 是一種半導(dǎo)體固體發(fā)光器件，被認(rèn)為是 21 世紀(jì)最有價(jià)值的新光源，將取代白熾燈和日光燈成為照明市場(chǎng)的主導(dǎo) [1]，使照明技術(shù)面臨一場(chǎng)新的革命，從而一定程度上改善人類的生產(chǎn)和生活方式。 面對(duì)半導(dǎo)體光源的巨大商機(jī)和新一代照明革命的浪潮，許多國家和地區(qū)相繼推出了半導(dǎo)體照明發(fā)展計(jì)劃 ，如 日本的 21 世紀(jì)“光計(jì)劃”計(jì)劃 、 歐盟的“彩虹計(jì)劃” 、 美國的“國家半導(dǎo)體照明計(jì)劃” 。另一方面，中國作為擁有 13 億人的人口大國，電力能源相對(duì)比較貧乏，并且隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展 ，人民生活水平的不斷提高，照明用電在電力消耗中占的比例逐年提高 。后來各種光色的 LED 進(jìn)入交通和顯示屏中廣泛應(yīng)用，后來隨著 LED 技術(shù)的進(jìn)步，尤其是在 1998 年白光 LED 開發(fā)成功，其在通用照明領(lǐng)域大顯伸手。隨著功率的提高， LED 封裝也隨之發(fā)生著巨大的改變。隨著 LED向高光強(qiáng)、高功率發(fā)展， LED 的散熱問題日漸突出。如何提高大功率 LED 的散熱能力，是 LED 器件封裝和器件應(yīng)用設(shè)計(jì)要解 決的核心問題。 第 3 頁 共 38 頁 課題的目的和意義 大功率 LED 光源研制的成功，為其以后在普通照明領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展創(chuàng)造了條件。 對(duì)于 LED 產(chǎn)品來說，研究產(chǎn)品的 散熱 問題，顯得十分重要、非常迫切。 另一方面， 提高產(chǎn)品的 散熱 可靠性，可以減少維修時(shí)間，提高產(chǎn)品可用率，對(duì)于一些造價(jià)高昂的商用顯示系統(tǒng)，如大屏幕 LED 顯示系統(tǒng)，其“昂貴”不僅體現(xiàn)在前期的硬件投入，更體現(xiàn)在后期的維護(hù)成本和耗材費(fèi) 用。 而且， 對(duì)于 LED 生產(chǎn)企業(yè)來說，提高產(chǎn)品的可靠性，可以改善公司信譽(yù)，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力，擴(kuò)大市場(chǎng)份額，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。 國內(nèi)外 大功率 LED 散熱 研究 為了提高大功率 LED 的散熱效果，國內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究， 本節(jié)試從對(duì)芯片采用倒裝焊、使用導(dǎo)熱性能較好的 粘結(jié)材料、使用散熱器等一一 闡明國內(nèi)外常用的大功率LED 散熱 方法研究 。如大家所熟知的 Lumileds 公司 就 采用倒裝結(jié)構(gòu) (Flipchip)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的 T1結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)封裝時(shí)上面通常涂敷一層環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹 脂導(dǎo)熱能力差，而且下面襯底 (藍(lán)寶石 )也是熱的不良導(dǎo)體，前后兩方面都造成散熱的難題，影響器件 的性能參數(shù)和可靠性。避免了電極對(duì)光線的吸收；散熱方面，有源面更接近于散熱體，將 LED 芯片通過凸點(diǎn)倒裝連接到硅基上，以硅作為芯片與散熱片的過渡導(dǎo)熱體，實(shí)現(xiàn)低熱阻，同時(shí)減小了熱應(yīng)力對(duì)器件可靠性的影響。較之傳統(tǒng)的正裝結(jié)構(gòu)，倒裝結(jié)構(gòu)可將 LED 的光效提高 70％[3]。 ⑵ 使用導(dǎo)熱性能較好的粘結(jié)材料 如圖 [5] 所示，無論采取正裝焊或倒裝焊，芯片都需通過粘接材料粘接到金屬熱沉上。吳慧穎、錢可元 [6]等人利用有限元法 (FEM)對(duì)倒裝大功率白光 LED 的空間溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了模擬計(jì)算，得到的芯片溫度分布剖面圖，看出芯片與底部金屬熱沉的粘接部位存在較大溫度差，說明此區(qū)域存在很大熱阻，若能找到導(dǎo)熱性能更好的粘接材料將有利于降低器件的熱阻。 1芯片； 2粘接材料； 3基板； 4散熱器 圖 散熱器示意圖 利用 散熱器對(duì)電子芯片進(jìn)行冷卻是最簡(jiǎn) 單、最直接、成本最低的散熱方式。一般來說，空氣冷卻或強(qiáng)制風(fēng)冷技術(shù)大多應(yīng)用在低功耗或中等功耗的器件或電子設(shè)備中 。傳導(dǎo)和對(duì)流是兩種主要的傳熱方式。 ① 采用導(dǎo)熱性能好的材料作散熱器 在常見的金屬中，銀的導(dǎo)熱率最高，但是它的價(jià)格著實(shí)不菲。鋁價(jià)格便宜，密度小，好加工，導(dǎo)熱性能良好。但銅材料價(jià)格昂貴、易氧化，加工成本高。 ② 增大散熱器的散熱面積 散熱面積越大的散熱器，其熱容量越大。 大功率 LED 封裝技術(shù)存在的問題如取光效率、熱阻、光衰等還沒有得到最終的突破，在封裝形式上創(chuàng)新少，且集中于單芯片的封裝，而多芯片陣列低熱阻封裝是目前獲 得高光通量的一個(gè)可行方案，值得研究推廣。高亮度 LED在手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備領(lǐng)域達(dá) ，占整個(gè)高亮度 LED市場(chǎng)的 58％，緊隨其后的是汽車照明市場(chǎng)和顯示屏市場(chǎng)，它們各為 13％ [6]。實(shí)際應(yīng)用的照明設(shè)備，如照亮寫字臺(tái)、屏幕或房間 的光源不僅要求高發(fā)光效率和長(zhǎng)的使用壽命，還要具有較高的光通量和可接受的價(jià)格 。 照明消耗約占整個(gè)電力消耗的五分之一，各國的半導(dǎo)體照明計(jì)劃的首要目標(biāo)在于降低照明用電，從而節(jié)省能源、減少石油進(jìn)口、降低溫室效應(yīng)。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％。 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。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。 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。 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)。 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。 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。重復(fù)性的再建模與再分析影響了設(shè)計(jì)的效率。 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) 。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。 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。 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。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。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]。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]。 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)。 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。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。 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。 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。 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。 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)。此外，在一定條件下，它還具有發(fā)光特性。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)。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。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。 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）。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。當(dāng)角度偏離正法向，光強(qiáng)也隨之變化。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 。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)光效率包括內(nèi)量子效率和外 量子效率、提取效率及流明效率。一般來說，發(fā)光效率是指外量子效率。 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。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(jìn)行探索，以制造出發(fā)光效率較高的 LED 芯片。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)。 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。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)。 長(zhǎng)期以來，對(duì)于小功率 LED 而言，普遍壽命為 10“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。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 段，當(dāng) 0V氣，外加電場(chǎng)尚克服不少因載流子擴(kuò)散而形成勢(shì)壘電場(chǎng)，因此 LED 處于截止區(qū)域 [l3]。 Ir 的大小能夠反應(yīng)出 LED 芯片抗靜電能力和使用壽命，一般 LED的反向漏電流都小于 1ouA。 熱效應(yīng) 對(duì) LED 的影響 發(fā)光二極管由 m 一 IV族化合物，如 GaP(磷化嫁 )、 GaAsP(磷砷化稼 )等半導(dǎo)體制成，其核心為 pn 結(jié)。與傳統(tǒng)的照明器件不同，白光 LED 的發(fā)