【正文】 光光譜中不包含紅外部分，所以其熱量不能依靠輻射釋放。對于多個(gè)白光 LED 陣列式照明系統(tǒng)而言，熱量的耗散問題更嚴(yán)重。 LED 熱效應(yīng)對 PN 結(jié)正向偏壓的影響 LED 額定工作電流一般為幾十甚至幾百毫安，在這種 情況下，由于 Pn 結(jié)的歐姆接觸引起的壓降不容忽略 [18]。 恒壓驅(qū)動(dòng)時(shí) ，隨著溫度的升高， Pn 結(jié)兩邊的熱平衡少子濃度相應(yīng)增加，從而導(dǎo)致Pn 結(jié)的反向飽和電流 Is 增大。雖然。 如果 pn 結(jié)溫度持續(xù)上升，熱平衡少子濃度進(jìn)一步增加。在極端情況下，雜質(zhì)半導(dǎo)體就變得與本征半導(dǎo)體相似， Pn 結(jié)也就不存在了。通常 LED 的 Pn 結(jié)安全工作溫度為 120℃。根據(jù)電子能帶圖可以知道， Pn 結(jié)的溫升降低了輻射復(fù)合率，從而降低了 LED 發(fā)光效率。因此，一般說來， Pn 結(jié)結(jié)溫應(yīng)保持在 120℃才能避免LED 器件性能下降甚至失效。不同材料系，其輸出光通量對于 Pn 結(jié)溫度的溫度系數(shù)不同，即使對于同一材料系而言，由于各組分的比例不同，其溫度系數(shù)也不同。 GaN 基 LED 的光通量隨 pn結(jié)溫度變化很小，如藍(lán)光 LED，當(dāng) Pn 結(jié)結(jié)溫在一 20℃一 120℃之間變化時(shí)，光通量的變化不到 10%，相反，對于 AIGalnP 基的紅光、綠光、藍(lán)光 LED 而言， pn 結(jié)溫度為 80℃時(shí)的光通量都只有結(jié)溫為 25℃時(shí)的 50%[13]。不同光色的 LED 對溫度的敏感度不同，綠光 LED 的敏感度最高，藍(lán)光 LED 的敏感度最低，如圖 所示 [14]。 圖 不同光色 LED 對溫度的敏感度曲線 圖 環(huán)氧樹脂熱膨脹系數(shù)隨溫度變化曲線 LED 熱效應(yīng)對壽命的影響 Pn結(jié)結(jié)溫上升時(shí)，容易導(dǎo)致芯片、環(huán)氧樹脂和導(dǎo)線 (金線或鋁線 )等材料物理特性發(fā)生變化，從而導(dǎo)致環(huán)氧樹脂老化，導(dǎo)線接觸不良甚至斷裂，進(jìn)而影響 LED 器件的可靠性，甚至失效。從溫度由低于幾向高于幾過渡時(shí)，環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)變化很大，迅速膨脹極 有可能導(dǎo)致導(dǎo)線鍵合點(diǎn)位移增大，造成導(dǎo)線過早疲勞甚至斷裂 。發(fā)光強(qiáng)度、發(fā)光效率、壽命及 IV特性是 衡量 LED 性能的主要參數(shù)。 因此，我們要對大功率 LED 進(jìn)行熱場分析，并進(jìn)行相關(guān)的封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)亮度 LED 因其發(fā)光功率小，熱量也不大，故散熱無問題。因此了解大功率 LED 的散熱熱分析很重要。 LED 散熱基礎(chǔ)知識(shí) 熱力學(xué)分析 用于 計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)或部件的溫度分布及其他熱物理參數(shù)，如熱量的獲取或損失、熱梯度、熱流密度（熱能量）等。 熱力學(xué)分析在實(shí)際工程中是很重要的，例如對燃?xì)廨啓C(jī)、電子設(shè)備、換熱器、各種工業(yè)爐等。 散熱的基本途徑主要有以下三種：熱傳導(dǎo)、對流、輻射。由于受到芯片工作溫度的限制，芯片只能在 120℃以下工作，因此器件的熱輻射效應(yīng)基本可以忽略不計(jì)。所以在進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)時(shí)主要先從熱傳導(dǎo)方面考慮，熱量預(yù)先從 LED芯片中傳導(dǎo)到散熱器。 其實(shí)質(zhì)是當(dāng)不同溫度的分子接近時(shí)，由于高溫快速分子與低溫低速分子間發(fā)生完全彈性碰撞或因自由電 子的轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。傅立葉定律指出，熱流密度正比于傳熱面的法向溫度梯度，式中負(fù)號表示熱流力一向與溫度梯度方向相反，即熱量從高溫傳至低溫。 簡而言之，是 當(dāng)一熱金屬板與冷流體（液體或氣體）接觸時(shí)，靠近熱金屬板的流體膜由于液體的熱傳導(dǎo)而溫度上升，流體膜溫度上升造成體積膨脹，以致于發(fā)生冷熱流體混合的現(xiàn)象。這是因?yàn)楦邷匚矬w表面附件的空氣因受熱而膨脹，密度降低并向上流動(dòng)。 第 14 頁 共 38 頁 熱對流的發(fā)生又因造成混合現(xiàn)象原動(dòng)力的不同而有自然對流及強(qiáng)制對流。 圖 熱對流分析圖 熱對流用牛頓冷卻方程來描述 ： Q=h( sT Tf ) 式中 h為對流換熱系數(shù) (或稱膜傳熱系數(shù)、給熱系數(shù)、膜系數(shù)等 )， sT 為固體表面的溫度，Tf 為周圍流體的溫度。熱對 流可以通過以下效果圖形象表示。圖 為不同流體在不同條件下的對流換熱系數(shù) h。當(dāng)物體向外界輻射的能量與其從外界吸收的輻射能不相等時(shí)，該物體與外界就產(chǎn)生熱量的傳遞。 對于傳統(tǒng)光源，燈絲溫度通常在 20xx℃左右，可以產(chǎn)生很強(qiáng)的熱輻射將熱量散出。 有限元理論簡介 由熱力學(xué)第一定律和傅立葉定律，得到導(dǎo)熱微分方程為 K(zTyTxT 222222????????+ vq =0 1k1snT?? =22 snTk ?? （邊界面上熱流量連續(xù)） 11sT=22sT （邊界面上溫度連續(xù)） 其中： T是溫度； vq 是單位體積的產(chǎn)熱率； k 是熱導(dǎo)率； s是邊界面。 對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的器件， 由于系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)、功率器件的分布、環(huán)境條件等因素， 直接求解方程級過于繁瑣，因此 在計(jì)算機(jī)上 使用 FEM 軟件 模擬計(jì)算空間溫度場的分布。 通用 有限元 軟件 ANSYS 介紹 有限元分析軟件有很多，目前在國際市場上被市場認(rèn)可的通用軟件主要有： MSC 公司的 ANSYS 公司的 ANSYS； HKS 公司的 ABAQUS； MSC． Nastran、 MSC． Marc、 MSC． Dytran；LSTC 公司的 LS． DYNA； ADINA 公司的 ADINA。 ANSYS 軟件是由世界上 CAE 行業(yè)最大的公司 —— ANSYS 公司 推出 的產(chǎn)品，其 自身可以進(jìn)行建模，同時(shí)也可以通過與多數(shù) CAD 軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如 Pro／Engineer， NASTRAN， Alogor， I— DEAS， AutoCAD 等，建模過程迅速。可用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。 在實(shí)際問題中，由于系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)、功率器件的分布、環(huán)境條件等兇素，采用傳統(tǒng)的數(shù)值分析方法分析熱力學(xué)問題往往比較煩冗。 ANSYS 基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度，并導(dǎo)出其它熱物理參數(shù)。熱力學(xué)分析包括熱傳導(dǎo)、熱對流及熱輻射三種熱傳遞方式。 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。 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。 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。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。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 。 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。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。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 )。 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。 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。 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 。 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。 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。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。 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。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。 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 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 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。溫度分布不均，差異過大，影響信號的傳輸特征 。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。 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 。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。 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。 K，環(huán)境溫度取 25℃），最后計(jì)算。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 。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。 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)。 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 。 另一個(gè)原因是，位移約束全部加在熱沉基座處。 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。在一些假設(shè)條件下，完成對溫度場和應(yīng)力場的分析 。在應(yīng)力場中，翅片與基座的連接處的應(yīng)力較大。 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。 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。 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。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)。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。因此這些方面都可以優(yōu)化的，即實(shí)