基于ansys大功率led器件的封装结构优化设计_毕业设计说明书(编辑修改稿)

基于ansys大功率led器件的封装结构优化设计_毕业设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

xx 年 LED 照明能够占领我国 1/3 的照明市场，每年就第 6 页 共 38 页 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， 20xx 年市场规模为 亿美元， 20xx年比 20xx 年增长 ％，市场规模为 亿美元， 20xx 年比 20xx 年增长 ％，市场规模为 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， 20xx 年时市场规模将突破 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 20xx 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。 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。 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，逐渐向第 7 页 共 38 页 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 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。 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Ⅲ族和 V族元素（称为ⅢV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 nGaN、 nAlGaN、 InGaN、 pAlGaN、 pGaN 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 LED 封装技术和结构发展 引脚 式 LED 常用直径在 35mm 的封装结构，主要用仪表显示或指示。 SMTLED 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。 第 8 页 共 38 页 COBLED 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。 SIPLED 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 150～ 250℃ /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。 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 PN 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 [9]所示，光的强弱与电流有关。 第 9 页 共 38 页 图 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λ与发光区域的半导体材料禁带宽度 Eg有关，即 λ (nm)=(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 ～ 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。 LED 的主要性能参数 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。 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。 在量子效率相同的第 10 页 共 38 页 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19701990 年 LED 的发光效率提高得很慢， 199020xx 年则提高得很快。 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)= 0B exp(tj/ ) 其中式中 0B 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 0B ，再点燃 310 ～ 410 小时后，测得 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。 IV 特性 LED 的 IV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 IV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 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 ， GaP 为 ， GaN 为。 电流 I 与外加电压 v呈指数关系 如图示 ： 图 正向工作区 ：正向工作区 :对应图 中的 ab 段，当 V气的时候， I 随着 V成指数第 11 页 共 38 页 形式增加； 截止区 :对应图 中的 be。