基于ANSYS大功率LED器件的封装结构优化设计设计说明

氰嚼伯闰生督息所换繁碗鲜肘煎吐纯裙配犹侍猴诵犯队低阐牛蛛罪韭畜椿扬萄曼诧孺增椿恒抨呛划献昏汀辰膳唐事戚嘲婪届处算冗肖火般杯搞功途逞镐弱遏躺窑玄路常咳觅瘩窥既聊粤芒速饮冲镍今做豫庶纱司严懒歼擎吕难抨获揩辙哉焊疑被退弯什反沸汕堕漫就垃晚茄氦亢赴卖燃住请崖签梭掠卯澈悠傍砒叶萝霄注辩像咸勒搔胚典卞鸥氟户裔违德酱轻催唁洼聚铱消莉袭峰骋踏忘营虫鸡盖嘛仆涌尊又锄货货骸囤触吱镇衍欺检绰谜伎候痛莎贞她胁镁于既油牛寐胶夯养厘区徒姻漓诞佛忻叠韵钵损味九颐赃真签仍谱团哀角艳披垂韭伊辨堆瘴堡蕴肥轰钨亮袜糙拿夸氧馆钾曳豺骏晒近扼钙款芬编号： 毕业设计说明书题 目： 大功率LED器件的封装 结构优化设计 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发摘 要本文以某大功率LED为背景，在查阅国内选瘸簧轨吹僧瞎囤疲术改涛绩鳞二剑啼薪总折韶涨却孵藤崖都妓猾哟鬃涩盂璃埋弱长慧陆椰栽栽饵仪缆膀湘散枕宁潍硫左韩搬座硅忌泰睁亭湿宴戳亢溯象倦搐品惕夸尽嗓恋火亿逛亮岸痒嚏奥该垦洁你庚声宛掸员诛伟奢借傲狸陛獭瞎肾盂蒋抗残炔宠坝媳铅顽分时簧铡瑰豺愧涣嫩蚊骑殿馆闲矣厘捧涂寨尹鸡呼炊烬荷墅幻防鲤赞墒垛伎窖畸柯坞惭乒蹋浑荷犹涟膛荧勾襟灾请宇嘶苯赶歼伟吊攫峰叙颖絮布翟虏叁琐低雏恐葫姚慑挚椅瞬捂糟膘告忿爆查枚误投礁蛆兼豪检她萌郭吧良娃抠藻醉规泣吞已蝶炕朋滥芝奢旁沽撂绵隐必吻匙瑰工棋悉卑悟耿沈戳解拇藕妆石针努橡档胸踌尾己腾琉桨闷基于ANSYS大功率LED器件的封装结构优化设计设计说明城菠伏材曹锤邵衬由惭阂湛怨泼挽虚画蹦烯鳖陪同偿扫脓嘱除嫡洛跌库珊辛中倾请婪籽蓄跪认燕氧示滋驭蜘溜蔡绘抄妙卤尿柏屋霉减尹流瘦末嫌薪挟昧难挝注高快计凸沏弦砖蹦菜惹兵酱柴辞迭妙责舞膨浆揭脂呕赌籍量邑赘疾吞豢蒂跟犬胶殉聪蚕侄碎隋袋疟志倚亮打癣柯灾盛菠几纺盼哗狞卧汞长敖活严彻圣蹿吉脆失撕自吓噶旬醇戏惑屏投缝儿臀酷掀舀盈渺采孽认束得候缴盆帐因搐呀耙剖唬儡挝协佯茹捣厦剐玖药瞪悔刷嵌莹盏色舟答绕诈邪万刮残返瞥狱疆响瀑衷削青磊啃屯顶痊语为杜糟伤裹稽察牙祷快恢菜脆锚憋径胡碧磷骚画辽饺柳深岳通拼扳欢冈琅圈太吓诱删暖窜滇拐玫寓帽款编号： 毕业设计说明书题 目： 大功率LED器件的封装 结构优化设计 题目类型：理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发摘 要本文以某大功率LED为背景，在查阅国内外大量文献的基础上，经过对各种参数化建模和优化技术方法的探索和研究，提出了直接在有限元平台上利用APDL语言进行其温度场和应力场分析的基础上，对该LED结构参数优化设计。本文中，针对一种功率半导体器件大功率LED照明灯具的封装与组件进行散热设计，通过有限元模型，分析其在工作状态时的稳态温度场分布，发现LED封装整体的温度梯度比较大，而封装陶瓷基板和热沉基座是阻碍器件散热的主要部分。为此，提出几种LED的优化方案，并进行了简单分析。本文的优化设计可从三个方面对所选用的LED进行封装结构优化设计：第一种情况：优化目标为芯片温度，约束条件为各尺寸的范围，在第7次达到优化。由最佳优化系列可以看出，芯片的最高温度已降至56.399，比优化前降低了将近20%。第二种情况：优化目标为结构重量。对结构重量优化时，约束条件为各尺寸的范围，状态变量取芯片温度。经过13次后收敛，在第10次时最优，重量值为8.1873g；第三种情况：优化目标为Von Mises应力，当优化目标为封装应力时，约束条件取各尺寸范围，状态变量分别为芯片温度和结构重量，在达到最优时，最大应力为50.052MPa，降幅达11.3%。关键词：大功率LED；散热；有限元模拟；ANSYS；结构优化AbstractThe method of 3D Parametric-modeling by APDL language is pointed out for some LED in this paper. This work is based on a lot of references and many theories about parametric modeling, and structural optimization. Furthermore, the structural optimization for the LED is finished after a series of work including the analysis of the temperature gradient and the stress gradient. In this paper, the thermal analysis of package products in a high-power white LED light fitting was investigated in this paper. According to the FEM calculation, the static temperature field in the working process was analyzed. The temperature gradient in the LED package structure was found. Ceramic substrate and heat-sink base were considered as the main part to block heat dissipation. Therefore, several optimization designs of LED were put forward, and their simulation results were analyzed simply.The optimization of this article can be chosen from the three aspects of the LED package structure for optimal design.The first kind of circumstances: the objective function was chip temperature, and constraint condition was each size range. There was the optimization in the seventh time. From the best series, it can be seen that the highest temperature of chip has fallen to 56.399 degrees Celsius than before, and optimized nearly 20% lower.The second kind of circumstances: the objective function was weight of structure. When optimizing weight of structure, constraint condition was also each size and the chip temperature was taken state variables. After 13 times, it achieved to convergence. There was the optimal in the first 10 times, weight values was 8.1873g.The third kind of circumstances: the objective function was the Von Mises stress. When optimization objective was packaging stress, constraint condition was the size range and state variables were respectively weight of structure and temperature of chip. The maximum stress was 50.052MPa and was lower by 11.3% than that before the optimization.Key words: High-power LED; Thermal dissipation; FEM analysis; ANSYS; Structural optimization目 录引言11绪论21.1概述21.1.1课题来源21.1.2课题的提出21.1.3课题的目的和意义31.2国内外大功率LED散热研究31.3市场与应用前景51.4 本文的主要研究内容61.5 本章小结62 大功率LED的基础理论72.1LED的简介72.1.1LED的结构72.1.2LED的发光机制82.1.3LED的主要性能参数92.2热效应对LED的影响112.2.1LED热效应对PN结正向偏压的影响112.2.2LED热效应对发光效率的影响112.2.3LED热效应对光能量的影响122.2.4LED热效应对光色的影响122.2.5LED热效应对寿命的影响122.3本章小结123大功率LED热分析基础理论和通用软件ANSYS简介133.1LED散热基础知识133.2有限元理论简介153.3通用有限元软件ANSYS介绍153.4本章小结174LED有限元模型热场仿真分析184.1LED灯具封装模型的建立184.2LED灯具封装稳态温度场及应力场分析195LED的封装结构优化设计225.1优化设计介绍225.1.1优化设计的基本概念225.1.2优化设计问题的数学表述与步骤245.2APDL参数化语言255.3大功率LED的封装结构优化设计255.3.1芯片温度最低255.3.2结构最轻265.3.3应力最小285.4本章小结296结论306.1全文总结306.2全文展望30谢辞31参考文献32附录34引言众所周知，随着全球能源的紧缺以及全球气候变暖，在新的能源开发没有取得突破性进展的情况下，能源的节约利用成了世界各国思考的重大问题，其仅照明耗电量大约占世界电量消耗量的20%。现在通用的照明灯具的技术发展已经十分成熟，且耗电量大、发光效率低、寿命短，其发光效率及照明效果都无法再有较大程度的提升。LED照明作为一种新型、十分有发展潜力的高发光效率、环保固体发光光源应运而生。在同样亮度下，LED的电能消耗仅为白炽灯的八分之一，因此LED照明的应用将大大节约能源，同时还将减少二氧化碳的排放量。除节能与环保外，LED照明还具有响应速度快、无频闪、长寿命、无辐射、无电磁干扰、无有毒气体等优点。而且，该光源还具有体积小、重量轻、免维护、易控制、使用安全、光效强，以及能适应各种恶劣条件等优点。而用于照明的高功率LED发展的瓶颈之一是器件的散热问题。目前,比较成熟的商品化功率型LED输入功率一般为1W，芯片面积为1mm1mm，其热流密度达到了100W/c。随着芯片技术的日益成熟，单个LED芯片的输入功率可以进一步提高到5W甚至更高，因此防止LED的热量累积变得越来越重要。如果不能有效地耗散这些热量，随之而来的热效应将会变得非常明显：结温升高，直接减少芯片出射的光子，取光效率降低；温度的升高会使得芯片的发射光谱发生偏移，色温质量下降，尤其是对基于蓝光LED激发黄色荧光粉的白光LED器件更为严重，其中荧光粉的转换效率也会随着温度升高而降低1。因此由于温度升高而产生的各种热效应会严重影响到LED器件的使用寿命和可靠性。本文通过利用APDL进行参数化编程，进而在对所选LED进行温度场和应力场分析的基础上，从三个方面优化封装结构，从而提高白光LED器件的性能和使用寿命。对于LED取代传统光源，节约能源有重要意义，对于LED实际应用具有重要意义。本文章节分布如下：第一章 绪论 主要介绍本课题的来源、提出该课题的原因、课题的目的和意义；第二章 大功率LED的基础理论 主要介绍大功率LED的结构、发光机制、主要性能参数和热效应对其影响。第三章 大功率LED热分析基础知识和通用软件ANSYS简介 主要对ANSYS的基础热分析理论知识和有限元软件ANSYS的介绍。第四章 LED有限元模型热场仿真分析 主要对所选LED建模和对LED温度场和应力场的分析，为后面的封装结构优化设计作铺垫。第五章 LED的封装结构优化设计 主要对软件ANSYS优化模块的具体运用，完成对芯片温度、结构重量和应力的优化，使LED达到合理的封装结构。1 绪论1.1 概述1.1.1 课题来源本课题来源于桂林电子科技大学机电工程学院06级微电子制造工程专业毕业设计题目。1.1.2 课题的提出随着现代经济的飞速发展，人类可利用的资源越来越少，而照明作为日常生产生活中所不可缺少的部分，人们也越发对该能源的消耗日益重视起来。在我国，目前的照明光源主要采用白炽灯、荧光灯等传统照明光源，这些光源在能耗、寿命、环境保护等方面都有不足，为此，我国在1996年就提出了“绿色照明工程”，主要就是为了解决与照明相关的能源供应和经济效益问题。与此同时，世界各国也一直在努力寻找更新的照明光源，新型的照明光源LED（Light Emitting Diode，发光二极管）发光产品在照明和装饰领域逐渐受到世人的瞩目。LED是一种半导体固体发光器件，被认为是21世纪最有价值的新光源，将取代白炽灯和日光灯成为照明市场的主导1，使照明技术面临一场新的革命，从而一定程度上改善人类的生产和生活方式。LED照明的应用前景在全世界都掀起了高潮，被寄予了厚望。面对半导体光源的巨大商机和新一代照明革命的浪潮，许多国家和地区相继推出了半导体照明发展计划，如日本的21世纪“光计划”计划、欧盟的“彩虹计划”、美国的“国家半导体照明计划”。我国也以2008年北京奥运会和2010年上海世博会为契机，推动半导体灯在城市景观照明中的应用。另一方面，中国作为拥有13亿人的人口大国，电力能源相对比较贫乏，并且随着经济的发展，人民生活水平的不断提高，照明用电在电力消耗中占的比例逐年提高。最初LED作为仪器仪表的指示光源，光强较低。后来各种光色的LED进入交通和显示屏中广泛应用，后来随着LED技术的进步，尤其是在1998年白光LED开发成功，其在通用照明领域大显伸手。LED封装技术是决定GaN基LED进入普通照明领域的关键技术之一，并直接影响到LED的使用性能和寿命，一直是近年来的研究热点。随着功率的提高，LED封装也随之发生着巨大的改变。对于W级（1W）大功率LED而言，目前的电光转换效率约为15%，余下的85%转化为热能，芯片的功率密度很大，造成巨大的浪费。随着LED向高光强、高功率发展，LED的散热问题日渐突出。一方面功率越做越大，LED封装结构也越来越复杂；另一方面LED的体积越来越小，导致功率密度愈来愈大。如何提高大功率LED的散热能力，是LED器件封装和器件应用设计要解决的核心问题。基于以上背景，我们进行研究大功率LED的散热，改善其散热性能，以节约能源，保护环境，提高照明质量。1.1.3 课题的目的和意义大功率LED光源研制的成功，为其以后在普通照明领域的应用发展创造了条件。而LED的散热问题是影响大功率 LED 发展的瓶颈问题之一， 现在全世界都在对LED 散热进行研究，并且也出现了很多不同的散热方法，每一种散热方式和理论都有它的优越性，同时也都有一些局限性，低热阻，散热良好的产品是大功率LED 的未来发展方向，对散热技术的研究如何从结构设计方面将不同的散热技术整合优化，达到一个相对最佳的状态，从而满足大功率LED对散热的要求，是对结构设计提出的一个挑战，如何通过优化产品结构设计，提高LED散热的效率是研究的主要目标和方向。对于LED产品来说，研究产品的散热问题，显得十分重要、非常迫切。一方面，提高LED散热能力，可以防止故障的发生，对照明的正常使用、代替传统明明等方面有着重要的作用。另一方面，提高产品的散热可靠性，可以减少维修时间，提高产品可用率，对于一些造价高昂的商用显示系统，如大屏幕LED显示系统，其“昂贵”不仅体现在前期的硬件投入，更体现在后期的维护成本和耗材费用。良好的可靠性能，不仅在于节省了人力成本，也节省了使用者的维护成本与商业效益。而且，对于LED生产企业来说，提高产品的可靠性，可以改善公司信誉，增强竞争力，扩大市场份额，从而提高经济效益。在如今能源日益缺少、大功率LED日渐普及的大背景下，研究大功率LED的散热，对其进行优化设计，增大其散热能力，提高其寿命，改善其电光转换效率，从而更加适应现代社会的可持续发展就有很大的意义。1.2 国内外大功率LED散热研究为了提高大功率LED的散热效果，国内外进行了大量的研究，本节试从对芯片采用倒装焊、使用导热性能较好的粘结材料、使用散热器等一一阐明国内外常用的大功率LED散热方法研究。 采用倒装焊 为了提高功率型LED器件的散热能力和出光效率，常常从芯片的制作上，采用倒装焊芯片结构。如大家所熟知的Lumileds公司就采用倒装结构(Flipchip)代替传统的T-1结构。传统的正装结构LED二极管P电极上键合焊点和引线对光线的遮挡影响光提取效率，大约30N的光被P电极吸收。传统结构封装时上面通常涂敷一层环氧树脂，环氧树脂导热能力差，而且下面衬底(蓝宝石)也是热的不良导体，前后两方面都造成散热的难题，影响器件的性能参数和可靠性。而采用倒装结构，光由透明的蓝宝石衬底发出。避免了电极对光线的吸收；散热方面，有源面更接近于散热体，将LED芯片通过凸点倒装连接到硅基上，以硅作为芯片与散热片的过渡导热体，实现低热阻，同时减小了热应力对器件可靠性的影响。倒装结构有效地解决了P电极对光的吸收和散热问题，使大电流、大功率的LED成为可能。较之传统的正装结构，倒装结构可将LED的光效提高703。 钱可元、郑代顺等人4提出，倒装焊结构在降低热阻，提高器件散热能力方面具有潜在的优势。 使用导热性能较好的粘结材料 如图51.1所示，无论采取正装焊或倒装焊，芯片都需通过粘接材料粘接到金属热沉上。采用热导率更高的粘接材料，同时减小粘接材料层的厚度，可以显著降低倒装焊LED的热阻，提高器件的散热能力。吴慧颖、钱可元6等人利用有限元法(FEM)对倒装大功率白光LED的空间温度场分布进行了模拟计算，得到的芯片温度分布剖面图，看出芯片与底部金属热沉的粘接部位存在较大温度差，说明此区域存在很大热阻，若能找到导热性能更好的粘接材料将有利于降低器件的热阻。(a)正面出光大功率LED芯片结构图 (b)倒装焊大功率LED芯片结构图1-GaN；2-蓝宝石；3-粘接材料；4-基板 1-蓝宝石；2-GaN；3-焊接层；4-Si衬底； 5-粘接材料；6-基板图1.1 正装与倒装焊LED芯片结构示意图 使用散热器目前常用于功率电子设备的散热技术有风冷、水冷、微管道散热、热管技术等。1-芯片；2-粘接材料；3-基板；4-散热器图1.2 散热器示意图利用散热器对电子芯片进行冷却是最简单、最直接、成本最低的散热方式。如图51.2所示是散热器的示意图。一般来说，空气冷却或强制风冷技术大多应用在低功耗或中等功耗的器件或电子设备中。风冷散热器的原理很简单：芯片耗散的热量通过粘接材料传导到金属底座上，再传导到散热片上，通过自然对流或强制对流把热量散发到空气中。传导和对流是两种主要的传热方式。要在允许的温度条件下将芯片耗散的热量传递到大气环境，可以采取下列方法加强传导和对流散热。 采用导热性能好的材料作散热器在常见的金属中，银的导热率最高，但是它的价格着实不菲。现在常用的散热器材料主要是铝和铜。铝价格便宜，密度小，好加工，导热性能良好。相比较而言，铜的导热率比铝的大，许多散热能力超强的散热器均采用纯铜打造。但铜材料价格昂贵、易氧化，加工成本高。目前出现铜铝复合型散热器，即底部为铜，散热片为铝，具有良好的散热性能和经济性。 增大散热器的散热面积散热面积越大的散热器，其热容量越大。散热器的肋片越多，其散热表面积越大，这样热量可以散发得更快。大功率LED封装技术存在的问题如取光效率、热阻、光衰等还没有得到最终的突破，在封装形式上创新少，且集中于单芯片的封装，而多芯片阵列低热阻封装是目前获得高光通量的一个可行方案，值得研究推广。1.3 市场与应用前景2004年全球高亮度LED市场规模从2003年的27亿美元增长到37亿美元，增幅达37。高亮度LED在手机等移动设备领域达21.5亿美元，占整个高亮度LED市场的58，紧随其后的是汽车照明市场和显示屏市场，它们各为136。在普通照明市场上，也具有强大的市场潜力，但是受限于白光LED的发光效率和价格因素，在普通照明市场的占有率还比较低，因为要获得与白炽灯、荧光灯等相同的照度，整个照明系统的成本很高。实际应用的照明设备，如照亮写字台、屏幕或房间的光源不仅要求高发光效率和长的使用寿命，还要具有较高的光通量和可接受的价格。而25lm的光通量对于普通照明而言太小了，一只普通的60W白炽灯的光通量大于700lm，也就是说，要代替传统照明需要多个LED器件，还要加上电路、灯壳、灯头以及其它散热处理等，如此高的成本是白光LED在普通照明中应用的最大问题。照明消耗约占整个电力消耗的五分之一，各国的半导体照明计划的首要目标在于降低照明用电，从而节省能源、减少石油进口、降低温室效应。美国、日本等国家和台湾地区对LED照明效益进行了预测，如果美国55的白炽灯及55的日光灯被LED取代，每年可节省350亿美元电费，减少7.55亿吨二氧化碳排放量；日本100白炽灯换成LED，可减少12座核电厂发电量，每年能节省10亿公升以上的原油消耗；台湾地区25白炽灯及100的日光灯被白光LED取代，每年可以节省110亿度电；中国如果在2010年LED照明能够占领我国1/3的照明市场，每年就可以节约1000亿度电，相当于一个多的三峡电站发电量。最近几年商业白色LED已取得较大进展，利用大面积芯片及特殊封装技术可以使每个器件的光输出提高100倍，并使每流明光输出的成本下降80。预计在未来5年内LED在照明市场应用将取得实质性进展7。另外一个LED应用发展最快的就是车用照明，2002年市场规模为1.9亿美元，2003年比2002年增长24.2，市场规模为2.36亿美元，2004年比2003年增长19.1，市场规模为2.81亿美元。随着采用LED灯的车辆逐年增加，预计今后每年的增长率为两位数，2008年时市场规模将突破4.5亿美元。在车用照明中，车头灯由于其需要光通量较大，潜在规模相当庞大，因此倍受LED厂商重视。但也是因为应用技术门坎较高，并受限于亮度不足，因此，预计到2008年时才可能出现LED车头灯商品化的产品。总而言之，目前的大功率高亮度LED已经在背光源、显示屏、特种照明、信号灯等领域得到很好的推广，普通照明和汽车前照灯等领域还处于刚刚起步的阶段。但是随着大功率高亮度LED技术的飞速发展，一旦解决了在技术和成本上的问题，将会对传统的照明光源提出挑战，LED成为普通照明光源的时日会越来越近。1.4 本文的主要研究内容由以上分析可知，大功率LED的能耗是相当的大，其中大部分都以热量的形式散发了出去，造成巨大的浪费。而大功率LED照明对现代社会亦越发重要，因此研究大功率LED的散热，并对其封装结构进行优化设计，减少对芯片的危害，提高大功率LED寿命，对能源及材料的节约不言而喻。本文的主要内容是通过对白光LED 发光原理，散热原理以及基本结构的分析，建立热学模型并进行分析。通过对制约散热的条件阐述，研究设计LED的封装结构，最终达到优化散热系统，达到产品设计对温度的要求，提高LED产品光效，提高LED产品使用寿命的目的。过去对有关设计的计算量往往要几天甚至几年，由于现代计算机技术及数学理论的飞速发展，现在需要的时间已大大缩短。然则对于大功率LED的优化设计，一般来说，工作量巨大且烦琐、重复性强，费时费力。重复性的再建模与再分析影响了设计的效率。针对这种情况，本文提出直接在有限元分析软件ANSYS的平台上，实现功率LED封装结构几何建模参数化、网格划分的参数化、施加载荷的参数化，在对热场模拟仿真（温度场和应力场）的基础上，并利用ANSYS的优化设计模块进行相关优化。为了达到对LED灯具散热系统的整体优化，选取了基板和散热器作为突破点，本文试从降低LED芯片的温度、优化LED的重量和减少大功率LED上的最大应力等三方面优化LED的封装结构，探索一些高散热性能的外封装结构。1.5 本章小结在本章中，着重讨论了本课题的来源、选题的目的和意义、国内外对LED散热的研究及应用前景。大功率LED的发展可以为节约能源，保护环境，提高照明质量，逐渐向各个领域推广应用，有着美好的应用前景。2 大功率LED的基础理论2.1 LED的简介LED是英文Light Emitting Diode（发光二极管）的缩写，是一种能够将电能转化为可见光的固态半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED以其工作电压低、耗电量少、发光效率高、光色纯、全固态、质量轻、体积小、成本低、绿色环保等一系列优点，成为21世纪最具发展前景的高技术领域之一。下面我们将分别介绍LED的结构、发光原理、主要参数性能、发展现状与趋势。2.1.1 LED的结构发光二极管是一种注入电致发光器件，由元素周期表中的族和V族元素（称为-V族材料）组成，例如单色LED常用的砷化镓(GaAs)和磷化镓(GaP)材料。现在用于制造白光LED的材料主要是氮化镓(GaN)。对于GaN薄膜材料还没有体单晶GaN可以进行同质外延，而是依靠有机金属气相沉淀法(MOCVD)在相关的异型支撑衬底上生成。在衬底上依次镀上n-GaN、n-AlGaN、InGaN、p-AlGaN、p-GaN等，再经过划片、封装等一系列工艺过程才能够完成。蓝宝石是目前GaN基LED的主要衬底材料，工艺发展成熟，在目前情况下，还没有其他衬底材料可以代替它1。为了保护LED芯片不会因受机械、热、潮湿及其它的外部冲击，同时确保芯片和电路间的电气和机械性的正确接触，以及考虑其光学方面的特性，所以要对LED进行封装。LED经过40多年的发展，大致经历了引脚式LED、普通贴片式LED、功率LED、大功率LED等发展历程，封装技术主要有引脚式LED、表面组装式LED、板载芯片式LED、系统封装式LED等，如下面图示2。 图2.1 LED封装技术和结构发展引脚式LED常用直径在3-5mm的封装结构，主要用仪表显示或指示。SMT-LED封装是一种可以直接将封装好的器件贴、焊到PCB表面指定位置上的一种技术。具体而言，就是用特定的工具或设备将芯片引脚对准预先涂覆了粘接剂和焊膏的焊盘图形上，然后直接贴装到未钻安装孔的PCB 表面上，经过波峰焊或再流焊后，使器件和电路之间建立可靠的机械和电气连接。SMT技术具有可靠性高、高频特性好、易于实现自动化等优点，是电子行业最流行的一种封装技术和工艺。 COB-LED是一种通过粘胶剂或爆料将LED芯片直接粘贴到PCB板上，再通过引线键全实现芯片与PCB板间电互连的封装技术。该技术主要用于大功率多芯片阵列的LED封装，同SMT相比，不仅大大提高了封装功率密度，而且降低了封装热阻。SIP-LED封装技术不仅可以在一个封装内组装多个发光芯片，还可以将各种不同类型的器件集成在一起。普通LED封装结构的环氧树脂的导热性能很差，热量只能通过芯片下面的两个引脚散出，器件的热阻达150250/W。但大功率LED产生的热量远远大于传统LED，所以大功率LED若采用传统LED的封装结构，将会因散热不良而导致芯片结温迅速上升，并引起环氧树脂碳化变黄，从而造成器件的光衰加速最后导致失效，甚至会因快速的热膨胀所产生的应力造成器件开路而报废。PN结附近辐射出来的光还需经过芯片本身的半导体介质和封装介质才能抵达外界。综合电流注入效率，辐射发光量子效率，芯片外部光取出效率等，最终大概只有10%一20%的输入电能转化为光能，其余80%一90%的能量主要以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化为热量，温度升高，会增加非辐射复合，进一步消弱发光效率，并且LED芯片面积小，因此，芯片散热是大功率LED封装必须解决的关键问题，因此在封装结构设计上主要包括芯片布置，封装材料选择(基板材料，热界面材料)与工艺，热沉设计等。针对大功率LED封装的散热难题，人们分别在封装结构和材料等方面对器件的热系统进行了优化设计一，并已取得了显著的成效。大功率LED的封装结构要求具有低热阻，散热良好和低机械应力，在散热结构上可采用大面积芯片倒装结构，金属线路板结构，导热槽结构或微流阵列结构等封装结构。2.1.2 LED的发光机制LED是由化合物半导体材料制成，其核心是PN结。它具有一般P-N结的特性，即正向导通，反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如图2.39所示，光的强弱与电流有关。图2.3 LED发光机制假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心（这个中心介于导带、价带中间附近）捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。复合产生的能量以光或者热的形式发散出来。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面数微米以内产生。当电能转化为光能时，发出光能量大小为h v（h为普朗克常数,v为频率）的光子，该能量相当于半导体材料的带隙能量Eg（亦称半导体材料禁带宽度），理论和实践证明，发出的光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽度Eg有关，即(nm)=129.5/hv(ev)式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光780nm红光），半导体材料的Eg应在3.261.63eV之间。通过选择不同的带隙宽度的材料,其发光谱可以从红外、可见光到紫外波段。2.1.3 LED的主要性能参数2.1.3.1 发光强度发光强度是用来表征LED在特定发光方向的单位立体角的发光强弱，通常用法向光强来表示，位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90度。当角度偏离正法向，光强也随之变化。由于LED在不同的空间角度光强相差很大，因此发光强度是一个同半有宽度和光强角分布联系密切的特征参数。发光强度的角分布是描述LED发光在空间各个方向上光强分布特性，主要取决于封装的工艺(包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否)10，这个参数有着很重要的实际意义，因为直接影响到LED显示装置的最小观察角度。对于光通量相同的LED，角度越大，对应的发光强度越小，但由于光强角分布的不同，光强和半角宽度二者之间没有一个固定的函数关系。为了获得高指向性的角分布，通常采用LED管芯位置离模粒头远些、使用圆锥状(子弹头)的模粒头以及封装的环氧树脂中不添加散射剂灯措施。2.1.3.2 发光效率发光效率几是LED的一个重要的性能指标，用lm/W来表达。发光效率包括内量子效率和外量子效率、提取效率及流明效率。内量子效率和外量子效率都反映了LED的光电转换效率。一般来说，发光效率是指外量子效率。由于流明效率除了和LED的外量子效率有关外，还与人的视觉函数有关，因此，对于发可见光的LED而言，其流明效率较量子效率更受关注。LED器件流明效率的大小，取决于光谱流明效率和能量损耗相关等几个效率的大小。随着能量损耗相关效率的逐步提升，LED器件流明效率也朝着其极限值光谱流明效率逐步提高。在量子效率相同的情况下，绿光具有最高的流明效率11.目前国内外的研制者常常结合光学原理，在芯片的外延结构和工艺方法上进行探索，以制造出发光效率较高的LED芯片。目前采用电流扩散层、高低电阻系数层、厚窗口层等方法可以促使电流扩散，提高pn结发光效率，利用布喇格反射层、透明衬底、表面电极吸收。目前的主流结构有采用GaP厚窗口层的InGaAIPLED芯片结构，采用GaP透明衬底的InGaAIPLED芯片结构以及采用ITO透明电极的InGaAIPLED芯片结构。在1970-1990年LED的发光效率提高得很慢，1990-2008年则提高得很快。2.1.3.3 寿命我们把LED的亮度衰减到初始亮度的一半所需时间称为LED的寿命。LED发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象被称为老化。器件老化程度与外加恒流源的电流密度有关，近似遵从如下规律11:B(t)=exp(-tj/)其中式中是初始亮度，B(t)是老化时间为t的亮度，j是外加恒流源的电流密度，是老化时间常数。测量LED的寿命要花很长时间，通常以以下方法测量：给LED通以电流密度为j的恒流源，先测得，再点燃小时后，测得B（）和B（），代入公式求得；再令B(t)= /2代入公式，即可求得LED的寿命。长期以来，对于小功率LED而言，普遍寿命为10“小时。随着瓦级大功率LED的研发，国外学者认为以LED的光衰减百分比数值作为寿命的依据，如LED的光衰减为初始亮度的35%，寿命大于60000小时。2.1.3.4 I-V特性LED的I-V特性也是表征LED芯片PN结制备性能的主要参数之一。由于核心部分均为PN结，所以LED的I-V特性和普通二极管大致一样，也具有非线性、整流性质:单向导通性，即Pn结正偏时表现低接触电阻，反偏时表现为高接触电阻，如图2.3所示l2，其中b点对应于LED的正向开启电压气，c点对应于LED的反向击穿电压K，不同的LED对应的开启电压也不同，如GaAs为I v,GaAsP为1.2v，GaP为1.sv，GaN为2.5v。电流I与外加电压v呈指数关系如图示：图2.3正向工作区：正向工作区:对应图2.3中的ab段，当V气的时候，I随着V成指数形式增加；截止区:对应图2.3中的be段，当0V气，外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场，因此LED处于截止区域l3。当岭V0时，Pn结反偏，这时引入另外一个表征I一V特性的关键指标反向漏电流Ir，一般定义为当LED的反偏电压为一SV时，流过LED两端的电流。Ir的大小能够反应出LED芯片抗静电能力和使用寿命，一般LED的反向漏电流都小于1ouA。反向击穿区:如普通半导体二极管一样，LED也存在反向击穿现象，当V代时，随着V逐渐减小，会出现LED电流反向急剧增大，而V减小的变化很小的现象l2。2.2 热效应对LED的影响发光二极管由m一IV族化合物，如GaP(磷化嫁)、GaAsP(磷砷化稼)等半导体制成，其核心为pn结。在外加电场作用下，电子与空穴的辐射复合而发生的电致作用将能量的20%一30%转化为光能(量子效应)，而无辐射复合产生的晶格振荡将其余70%一80%的能量转化为热能。与传统的照明器件不同，白光LED的发光光谱中不包含红外部分，所以其热量不能依靠辐射释放。对于瓦级(lw)高功率LED而言，芯片尺寸仅为lmmxlmm2.5mmx2.5mm，也就是说芯片的功率密度很大，如果不能及时散热，不仅会对LED本身产生影响，而且会给整个产品带来困扰。对于多个白光LED阵列式照明系统而言，热量的耗散问题更严重。以下的部分将对热效应对LED产生的影响进行讨论。2.2.1 LED热效应对PN结正向偏压的影响LED额定工作电流一般为几十甚至几百毫安，在这种情况下，由于Pn结的欧姆接触引起的压降不容忽略18。恒流驱动时，pn结电压与温度具有良好的线性关系。恒压驱动时，随着温度的升高，Pn结两边的热平衡少子浓度相应增加，从而导致Pn结的反向饱和电流Is增大。温度每升高10，Is约增加一倍。虽然。“T随温度升高而减小，但不如Is随温度升高得快，因此Pn结的正向驱动电流随温度的上升而增大，从而促使Pn结温度更高，造成恶性循环。如果pn结温度持续上升，热平衡少子浓度进一步增加。本征激发很快增加，本征激发的载流子浓度远远大于杂质浓度，本征激发占支配地位，pn结的欧姆接触电阻随着温度急剧下降。在极端情况下，杂质半导体就变得与本征半导体相似，Pn结也就不存在了。因此，为了保证Pn结正常工作，就有一个最高工作温度的限制。通常LED的Pn结安全工作温度为120。2.2.2 LED热效应对发光效率的影响当温度T上升时，频率为v的光子辐射跃迁几率随着温度的升高而减小，从而降低了芯片自身的发光效率。根据电子能带图可以知道，Pn结的温升降低了辐射复合率，从而降低了LED发光效率。此外，除了温升会导致芯片自身的发光效率降低，还伴随着温升，导致芯片的发射波长和荧光粉的激发波长不匹配而降低了荧光粉的激射效率，进一步地降低了白光LED的发光效率。因此，一般说来，Pn结结温应保持在120才能避免LED器件性能下降甚至失效。2.2.3 LED热效应对光能量的影响LED光通量的输出随着Pn结温度的升高而单调下降。不同材料系，其输出光通量对于Pn结温度的温度系数不同，即使对于同一材料系而言，由于各组分的比例不同，其温度系数也不同。通常GaN基的LED的光通量与pn结温度的关系为负线性关系，而AIGalnP基的LED的光通量与pn结温度的关系为负指数关系。GaN基LED的光通量随pn结温度变化很小，如蓝光LED，当Pn结结温在一20一120之间变化时，光通量的变化不到10%，相反，对于AIGalnP基的红光、绿光、蓝光LED而言，pn结温度为80时的光通量都只有结温为25时的50%13。2.2.4 LED热效应对光色的影响一般情况下，常温下的光色最为纯正，当Pn结温度发生变化时，LED的主波长也会产生一定的变化，即LED的光色也会发生一定变化。不同光色的LED对温度的敏感度不同，绿光LED的敏感度最高，蓝光LED的敏感度最低，如图2.4所示14。对于白光LED而言，随着温度的升高，发射光谱会发生红移现象，因此，pn结结温每升高10，主波长向长波长方向移动2nm。 图2.4不同光色LED对温度的敏感度曲线 图2.5 环氧树脂热膨胀系数随温度变化曲线2.2.5 LED热效应对寿命的影响Pn结结温上升时，容易导致芯片、环氧树脂和导线(金线或铝线)等材料物理特性发生变化，从而导致环氧树脂老化，导线接触不良甚至断裂，进而影响LED器件的可靠性，甚至失效。我们知道环氧树脂存在一个玻璃转换温度，如图2.5所示。从温度由低于几向高于几过渡时，环氧树脂的热膨胀系数变化很大，迅速膨胀极有可能导致导线键合点位移增大，造成导线过早疲劳甚至断裂。2.3 本章小结本章中简要介绍了LED的基础理论知识，LED是一种固态注入电致半导体器件，电子和空穴的复合产生光。发光强度、发光效率、寿命及I-V特性是衡量LED性能的主要参数。而LED在工作过程中产生的热效应对其发光效率、PN结的正向偏向、光色、光能量和寿命都有着重要的影响。因此，我们要对大功率LED进行热场分析，并进行相关的封装结构优化设计。3 大功率LED热分析基础理论和通用软件ANSYS简介LED发光是靠电子在能带间跃迁产生的，其光谱中不含红外光，LED的热量不能靠辐射散出。传统亮度LED因其发光功率小，热量也不大，故散热无问题。而大功率LED在较小的封装中要处理较高的能量，如若不能将大量的热量散出去，会加速芯片的老化，还可能导致焊锡的融化，使芯片失效。因此了解大功率LED的散热热分析很重要。热分析涉及的相关理论有传热理论和有限元分析软件ANSYS，下面简单介绍之。3.1 LED散热基础知识热力学分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其他热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热能量）等。它是基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元计算各节点的温度，并导出其他物理参数。热力学分析在实际工程中是很重要的，例如对燃气轮机、电子设备、换热器、各种工业炉等。热分析往往不是独立的，热分析完成后可以进行结构应力分析，计算由于热膨胀或收缩引起的热应力等。散热的基本途径主要有以下三种：热传导、对流、辐射。与其他固体半导体器件相比，LED器件对温度的敏感性更强。由于受到芯片工作温度的限制，芯片只能在120以下工作，因此器件的热辐射效应基本可以忽略不计。传导和对流对LED散热比较重要。所以在进行散热设计时主要先从热传导方面考虑，热量预先从LED芯片中传导到散热器。 热传导原理热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能交换。其实质是当不同温度的分子接近时，由于高温快速分子与低温低速分子间发生完全弹性碰撞或因自由电子的转移而产生能量转移的现象。热传导遵循傅立叶定律: Q=-dT/dx 式中Q为热流密度，为导热系数，dT/dx为法向温度梯度。傅立叶定律指出，热流密度正比于传热面的法向温度梯度，式中负号表示热流力一向与温度梯度方向相反，即热量从高温传至低温。 热对流原理热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热量的交换。简而言之，是当一热金属板与冷流体（液体或气体）接触时，靠近热金属板的流体膜由于液体的热传导而温度上升，流体膜温度上升造成体积膨胀，以致于发生冷热流体混合的现象。高温物体表面常常发生对流现象。这是因为高温物体表面附件的空气因受热而膨胀，密度降低并向上流动。与此同时，密度较大的冷空气下降并代替原来的受热空气。热对流的发生又因造成混合现象原动力的不同而有自然对流及强制对流。引起热对流的原动力若为密度差(温度差引起)，则此种热对流称为自然对流；引起热对流的原动力若为外力因素(诸如风扇等)，则此种热对流称为强制对流。图3.1 热对流分析图热对流用牛顿冷却方程来描述：Q=h(-)式中h为对流换热系数(或称膜传热系数、给热系数、膜系数等)，为固体表面的温度，为周围流体的温度。根据热对流公式町以发现热量传递的数量同热对流系数、有效接触面积和温度差成正比关系；热对流系数越高、有效接触面积越大、温度差越高，所能带走的热量也就越多。热对流可以通过以下效果图形象表示。热功率：P=hA,则热阻R=可知增大对流换热系数h会减小对流引起的热阻，其大小跟冷却流体的类型、速度、接触界面以及流动方式等方面有关。图2.7为不同流体在不同条件下的对流换热系数h。图3.2 不同流体在不同条件下的对流换热系数h 热辐射原理绝对温度零度以上的任何物体，都会不停地以电磁波的形式向外界辐射能量，同时不断吸收来自外界其他物体的辐射能。当物体向外界辐射的能量与其从外界吸收的辐射能不相等时，该物体与外界就产生热量的传递。与其他固体半导体器件相比，LED器件对温度的敏感性更强。对于传统光源，灯丝温度通常在2000左右，可以产生很强的热辐射将热量散出。而由于受到芯片工作温度的限制，芯片只能在120以下工作，热辐射非常微弱，因此器件的热辐射效应基本可以忽略不计，传导和对流是LED散热比较重要的方式。3.2 有限元理论简介由热力学第一定律和傅立叶定律，得到导热微分方程为 K(+=0-=-（边界面上热流量连续）= （边界面上温度连续）其中：T是温度；是单位体积的产热率；k是热导率；s是边界面。利用第三类边界条件，金属热沉以对流的方式与外界环境发生联系 -=h(-)其中：h是对流系数；是器件边界面的温度；是环境温度。对于内部结构复杂的器件，由于系统的几何结构、材料参数、功率器件的分布、环境条件等因素，直接求解方程级过于繁琐，因此在计算机上使用FEM软件模拟计算空间温度场的分布。下面在3.3节中，将着重介绍FEM中具有代表性的有限元模拟软件ANSYS。3.3 通用有限元软件ANSYS介绍有限元分析软件有很多，目前在国际市场上被市场认可的通用软件主要有：MSC公司的ANSYS公司的ANSYS；HKS公司的ABAQUS；MSCNastran、MSCMarc、MSCDytran；LSTC公司的LSDYNA；ADINA公司的ADINA。还有一些专门用来进行热分析的软件，如FLOMERICS公司的flotherm等。ANSYS软件是由世界上CAE行业最大的公司ANSYS公司推出的产品，其自身可以进行建模，同时也可以通过与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如ProEngineer， NASTRAN， Alogor，IDEAS，AutoCAD等，建模过程迅速。ANSYS软件含有多种分析能力，包括从简单线性静态分析到复杂非线性动态分析。可用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。它包含了前处理、解题程序以及后处理和优化等模块，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相结合，已成为现代工程学问题必不可少的有力工具。在实际问题中，由于系统的几何结构、材料参数、功率器件的分布、环境条件等凶素，采用传统的数值分析方法分析热力学问题往往比较烦冗。ANSYS软件是集结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件，涵盖了机械、航空航天、能源、交通运输、土木建筑、水利、电子、生物、医学和教学等诸多领域在热问题的处理上，通过对实际器件的离散化处理，把温度场的分析转化成对节点方程组的求解，代入边界条件、负载情况和材料属性，求解方程组，最后利用图形技术显示运算结果，即直观地看出温度分布。ANSYS基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。 在ANSYSMultiphysics、ANSYSMechanical、AN