1、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
2、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
3、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
4、, 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 FE
5、M 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 f
6、orward, 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.
7、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
8、 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 Mis
9、es 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;
10、 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 .72.1 LED 的简介 .72.1.1 LED 的结构 .72.1.2 LED 的发光机制 .82.1.3 LED 的主要性能参数 .92.2 热效应对 LED 的影响
11、.112.2.1 LED 热效应对 PN 结正向偏压的影响 .112.2.2 LED 热效应对发光效率的影响 .112.2.3 LED 热效应对光能量的影响 .122.2.4 LED 热效应对光色的影响 .122.2.5 LED 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 .133.1 LED 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 .174 LED 有限元模型热场仿真分析 .184.1 LED 灯具封装模型的建立 .184.2 LED 灯具封装稳态
12、温度场及应力场分析 .195 LED 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 .245.2 APDL 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第 1 页 共 38 页引言众所周知，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
13、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。
14、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2m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
15、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 ANS
16、YS 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。第 2 页 共 38 页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
17、，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
18、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
19、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
20、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，第 3 页 共 38 页保护环境，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
21、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，
22、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
23、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
24、过渡导热体，实现低热阻，同时减小了第 4 页 共 38 页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
25、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-散热器第 5 页 共 38 页图 1.
26、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
27、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
28、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
