（微电子学与固体电子学专业论文）led灯具热设计与仿真.pdf

杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 近年来，随着新技术和新型材料的发展，发光二极管( l e d ) 以其高发光效率、低能耗、 寿命长等优势，成为2 1 世纪最具发展前景的一种新型冷光源，并逐渐渗透到现代照明领域中。 l e d 的工作原理为在外加电场的作用下，p n 结中的电子与空穴的复合发生电致辐射将一部 分能量转化为光能，其余能量转化为热能。在目前l e d 作为照明灯具后，散热是需要解决的 关键问题之一，没有良好的散热通道，会使l e d 基板温度升高，导致半导体材料和荧光粉的 发光效率下降，并且过高的结温会引起波长红移，导致l e d 发光不均匀，同时会影响到l e d 灯具的使用寿命。据实验数据表明，l e d 在3 0 下工作的寿命比在7 0 下工作的寿命长2 0 倍，热失效成为l e d 灯具主要失效形式之一。对于大功率l e d 来说，热设计是l e d 灯具结 构设计的关键技术之一。本文运用有限元分析软件a n s y s 对l e d 灯具进行模拟热分析，针 对大功率l e d 的封装结构，散热结构，建立热传导模型，并且对l e d 灯具结构进行优化设 计，提高散热性能。 文章首先分析了l e d 灯具中热的产生，热特性以及热管理，散热设计对l e d 灯具的重 要性及研究现状。结合p r o e 强大的建模功能和a n s y s 完善的热分析功能，模拟分析了不同 封装结构的热场分布，对比分析在同等条件下，不同封装结构的散热效果。对市场上一款 7 w l e d 灯具进行了热仿真，模拟l e d 灯具在室温2 0 的工作环境下的散热情况，得到l e d 灯具的稳态温度场分布。并且与实测温度进行对比分析，结果发现模拟结果和实测数据基本 一致，实验结果说明模型建立和分析过程是正确的。 通过l e d 灯具的热分析，发现此款灯具结构的缺陷和温度场分布的不均匀性，然后在此 款散热结构的基础上进行了优化设计。考虑到l e d 灯具传热过程包括导热和散热两个环节， 从l e d 芯片产生热量，穿过线路层、隔离层、基板及导热硅胶到散热器，因此合理的散热器 结构在l e d 灯具热设计中发挥着关键性的作用。所以本文又模拟仿真l e d 多芯片组分布结 构，散热器的材料，厚度以及数量等因素对l e d 灯具散热效果的影响作用，优化散热结构， 得到最佳的散热效果，使得l e d 芯片最高结温降低了2 6 7 8 。 最后，在初步探索了l e d 灯具散热设计的主要因素后，对优化后的灯具结构进行了最大 承受功率数的研究，分别模拟仿真了5 - 2 0 w 灯具的热场分布。结合灯具工作场合的温度变化， 分析环境温度对结温的影响。最后考虑最高工作温度为4 0 ，此款散热结构最大承受功率为 17 w 。 关键词：大功率l e d 灯具，结温，p r o e ，a n s y s ，封装结构，热设计 杭州电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，l i g h te m i t t i n gd i o d e ( l e d ) d e v e l o pr a p i d l yb e c a u s eo fi t sh i 曲l u m i n o u s e f f i c i e n c ya n dl o we n e r g yc o n s u m p t i o n ，a n dg r a d u a l l yp e n e t r a t i n gi n t ot h em o d e ml i g h t i n g ，b e c o m e an e wt y p eo fc o l dl i g h ts o u r c ew h i c hh a st h em o s tp r o m i s i n gi n21 或c e n t u r y 1 1 1 el i g h t e m i t t i n g p r i n c i p l e i st h a tt h ee l e c t r o n sa n dh o l e si n t h ep nj u n c t i o n c o m p o s i t e d a n dh a p p e n d e l e c t r o r a d i e s c e n c ee f f e c tu n d e rt h ea p p l i e de l e c t r i cf i e l d , t r a n s f o r mp a r t _ o ft h ee n e r g yi n t ol i g h t e n e r g y , a n dt h er e s to ft h ee n e r g yi sc o n v e r t e di n t oh e a t a tp r e s e n t ，l e du s e di nl i g h t i n ga r e a ，h e a t d i s s i p a t i o nb e c o m eo n eo ft h ek e yp r o b l e m st h a tn e e dt ob es o l v e d w i t h o u tg o o dh e a td i s s i p a t i o n c h a n n e l ，c a nm a k et h el e ds u b s t r a t et e m p e r a t u r er i s ew h i c hl e a d st ow a v e l e n g t hr e ds h i f t , l u m i n o u se f f i c i e n c yd e c r e a s e d ，e v e na f f e c tt h ew o r k i n gl i f e a c c o r d i n gt or e p o r t ，t h ew o r k i n gl i f eo f t h el e dl a m pw o r ka t3 0 。ci s2 0t i m e sa sm u c ha sw o r ka t7 0 ，s ot h et h e r m a lf a i l u r eb e c o m eo n e o ft h em a i nf a i l u r em o d e t h e r m a ld e s i g ni so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rh i g h - p o w e rl e d l a m p s i nt h i sp a p e r , u s i n gf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y st ot h e r m a ls i m u l a t i o no fl e d ，d i r e c ta t t h ep a c k a g es t r u c t u r ea n dh e a td i s s i p a t i o ns t r u c t u r eo ft h eh i g h - p o w e rl e d ，e s t a b l i s hh e a tt r a n s f e r m o d e li np r o e ，a n do p t i m i z et h el e ds t r u c t u r et oi m p r o v et h eh e a td i s s i p a t i o n a tt h ef i r s to ft h ea r t i c l e ，i n t r o d u c e dt h eg e n e r a t i o no fh e a ti nl e d ，t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c ， t h e r m a lm a n a g e m e n t , t h ei m p o r t a n c eo ft h eh e a td i s s i p a t i o nd e s i g na n dr e s e a r c hs t a t u s c o m b i n i n g p o w e r f u lm o d e l i n gc a p a b i l i t yo fp r o ea n dp e r f e c ta n a l y s i sc a p a b i l i t yo fa n s y ss i m u l a t et h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no fd i f f e r e n tp a c k a g es t r u c t u r e ；a n a l y z et h eh e a td i s s i p a t i o nc a p a b i l i t yo f d i f f e r e n tp a c k a g es t r u c t u r ei nt h es a m ec o n d i t i o n t h e ns i m u l a t et oa7 wl e dl a m pa tr o o m t e m p e r a t u r e2 0 c ，g e tt h es t e a d y - s t a t et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n a n dc o m p a r e dw i t ht h ea c t u a l t e m p e r a t u r e ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n da c t u a ld a t aa r eb a s i c a l l ys a m e ，w h i c h h a sv e r i f i e dt h em e t h o do f u s i n ga n s y s t ot h e r m a ls i m u l a t i o nf o r t h eh e a td i s s i p a t i o no fl e d l a m p i sf e a s i b l e t h r o u g ht h et h e r m a la n a l y s i so ft h el e dl a m p ，f o u n dt h el a m ps t r u c t u r ei sd e f e c t i v ea n dt h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni sn o n u n i f o r m ，s ob a s e do nt h i sh e a ts i n ks t r u c t u r ef o ro p t i m i z a t i o nd e s i g n c o n s i d e r i n gt h eh e a td i s s i p a t i o np r o c e s si n c l u d eh e a tc o n d u c t i o na n dh e a td i s s i p a t i o n , t h eh e a t t h r o u g ht h el i n el a y e r , i s o l a t i o nl a y e r , s u b s t r a t ea n dh e a tc o n d u c t i n gs i l i c o nt ot h eh e a ts i n k , s o d e s i g nar e a s o n a b l es t r u c t u r eo fh e a ts i n ki sv e r ys i g n i f i c a n tf o rl e dt h e r m a ld e s i g n i nt h i sp a p e r , s i m u l a t et h ei n f l u e n c eo ft h em u l t i c h i pd i s t r i b u t i o ns t r u c t u r e ，h e a ts i n km a t e r i a l s ，t h et h i c k n e s sa n d n u m b e ro ft h ef i n st oh e a td i s s i p a t i o n t h e no p t i m i z et h eh e a ts i n ks t r u c t u r e ，u n t i lg e tt h eb e s th e a t d i s s i p a t i o ns t r u c t u r e ，m a k et h em a x i m u mj u n c t i o nt e m p e r a t u r er e d u c e d2 6 7 8 c 杭州电子科技大学硕士学位论文 f i n a l l y , a f t e rp r e l i m i n a r ye x p l o r a t i o no fl e dl a m pt h e r m a ld e s i g n ，r e s e a r c ht h eb i g g e s tb e a r p o w e rn u m b e ro ft h eo p t i m i z a t i o ns t r u c t u r e ，s i m u l a t et h et e m p e r a t u r ed i s s i p a t i o no ft h e5 - 2 0 w l a m p sr e s p e c t i v e l y c o m b i n e dw i mt h et e m p e r a t u r ev a r i a t i o no f t h ew o r k i n ge n v i r o n m e n t ，a n a l y z e t h ei n f l u e n c eo ft h ee n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r et oj u n c t i o nt e m p e r a t u r e i nc o n c l u s i o n ，t h i sh e a ts i n k s 旬m c n l r ec a ns u p p o r tt h em a x i m u mp o w e ro f17 wa tt h em a x i m u me n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e4 0 * ( 2 k e y w o r d s ：h i g h - p o w e rl e dl a m p s ，j u n c t i o nt e m p e r a t u r e ，p r o e ，a n s y s ，p a c k a g es t r u c t u r e , t h e r m a ld e s i g n i i i 杭州电子科技大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1l e d 概述 发光二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，l e d ) 是2 l 世纪最具发展前景的一种新型冷光源。 l e d 的发光机理是靠p n 结中的电子在能带间跃迁产生光能，芯片会有发热现象，特别是大 功率l e d ，使用多颗l e d 组装成一个模组，散热量大大增加。目前l e d 只有2 0 一3 0 能量 转化为光能，剩余7 9 一8 0 的能量都转化为热能【1 1 。一因此，一如何使这些热能以最短的路径厂一 最快速的方法，并且最大化的散发出去成了关键问题之一。 1 1 1l e d 的发展历史 1 9 0 7 年，美国的h e n r yj o s e p hr o u n d 在一块s i c 晶体中观察到电致发光现象，被认为是 世界上第一个l e d 2 1 。但是由于晶体中发出的黄光太暗，没有实际利用价值，并且s i c 晶体 与电致发光不能l a 很z 好的适应，这个研究并没有继续下去。 2 0 世纪2 0 年代晚期，在德国，b e m h a r dg u d d e n 和r o b e r tw i c h a r d 从锌硫化物和铜中提 取到黄磷，利用黄磷来发光，然而再一次因为黄光太暗而中止了研究【3 1 。 1 9 3 6 年，g e o r g ed e s t i a u 对z n s 粉末发射光做了深入的研究，并发表了有关报告，真正 意义上提出及定义了“电致发光”这个术语【4 】。 2 0 世纪5 0 年代，英国科学家将半导体g a a s 应用到电致发光的实验中，发明了第一个具 有现代意义的不可视红光l e d ，并于6 0 年代面世。从此，l e d 步入了商业化阶段，开始被 用在感应和光电领域。 2 0 世纪6 0 年代末，由于在早期的试验中，l e d 需要放置在液化氮里，所以还需要进一 步的操作与突破使l e d 在室温下高效率工作。于是将磷化物覆盖在g a a s 基体上，出现了第 一个可见红光l e d 。磷化物的使用使l e d 发出的红光更亮、更高效，甚至可以产生出橙色的 光。开始被用作指示灯，如今l e d 仍是指示灯的主要光源。 2 0 世纪7 0 年代中期，g a p 被使用作为发光光源，之后通过改进能够产生灰白绿光。采 用一个红色、一个绿色的双层g a p 芯片可以发出黄光。与此同时，俄国科学家也通过金刚砂 发明出了黄光l e d 。尽管当时的黄光l e d 不如欧洲的高效，但是在7 0 年代末，出现了纯绿 色的l e d p j 。 2 0 世纪8 0 年代早期到中期，i b m 实验室通过在g a p 衬底上生长a 1 g a a s 研制出了红光 l e d ，后经过不断改进，诞生了第一代高亮度的l e d ，红、黄光效率提高到1 0 1 m w 。之后， a 1 g a a s 被视为重要的l e d 原材料之一，使用a 1 g a a s 材料研制的黄光、绿光、红光等l e d 被广泛应用在室外信号指示、商品的条形码、医疗器械等领域。 2 0 世纪9 0 年代早期，再一次由于利用金刚砂出现了第一个具有历史意义的蓝光l e d ， 杭州电子科技人学硕士学位论文 但是如果按照与目前的技术标准去衡量，其发光和刚开始发明的黄光l e d 一样很暗淡。到了 9 0 年代中期，便出现了超高亮度的氮化镓l e d ，随之又研制出了高强度的绿光和蓝光铟氮镓 l e d 。同期，惠普光电实验室采用a i i n g a p 四元材料生产出了桔红、橙、黄和绿光的高亮度 的l e d ，从此l e d 进入了交通信号灯、室外大型显示屏、汽车灯等领埘6 1 。 2 0 世纪9 0 年代后期，在超亮度的蓝光蕊片上抹上荧光磷，通过吸收蓝色光源转化成白 光。利用这种白光转换技术可以制造出任何可见颜色的光，今天在l e d 市场上就能看到生产 出来的各种新奇颜色，如浅绿色和粉红色。 2 0 0 6 年6 月，日亚化学发布了发光效率为1 0 0 1 m w 的白色l e d 消息并开始供应样品， 被业界认为是l e d 迈向照明领域的一个新的里程碑【_ 7 引。 2 0 0 6 年7 月，美国c r e e 公司使用g a n 类l e d 芯片“e z b r i g h t ”研制出了发光效率高达 1 3 l l i n w 的白光l e d ，该发光效率是在施加2 0 m a 电流时获得的数值，其色温为6 0 2 7 k ，成 为在l e d 业界的新标杆。 2 0 0 7 年9 月，日亚化学发布了1 w 级的高功率白色l e d ，其在3 5 0 m a 的输入电流下， 光通量为1 4 5 1 m ，发光效率达到1 3 4 l m 啊，主要应用于一般的照明设备中。 2 0 0 8 年1 0 月，c r e e 公司宣布研制的白光l e d 在实验室测试中已经达到1 5 7 1 m 脶，在实 际运用中为1 0 2 1 m w 的l e d 产品也将大批量生产。 目前，1 w 的功率型l e d 已经投入大规模的生产，并且3 w 、5 w ，甚至1 0 w 的大功率 l e d 芯片也已经相继面世，并逐渐走向市场。 随着l e d 发光材料的不断提高，经过4 0 多年的发展，l e d 的应用领域迅速扩展。其发 展过程如图1 1 所示【9 】。l e d 技术发展到今天，材料在不断更进，从g a a s 到现在的a i l n g a n 材料；从不可见的红光l e d 到黄光、蓝光、绿光l e d ，再到高亮度的白光l e d ，实现了可 见光波段的全彩l e d 系列。l e d 的发展不单纯是它的颜色还有它的亮度，从开始的信号指示 领域，到户外显示领域，再到电视、汽车指示灯领域，后来开始应用在通用照明、路灯，交 通灯等领域，将代替白炽灯、荧光灯等，成为一种趋势。 l e d 发展图 1 9 2 0 1 9 4 0 19 6 01 9 8 1 32 1 3 0 ( 32 0 2 0 y e a r 图1 1l e d 发展过程图 2 1 1 一j毫ilc a | u 薯山螗j o u i e 丁j 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 1 2l e d 的发光原理及特点 l e d 是一种电致发光器件，它是由p 型半导体和n 型半导体两部分组成的晶体管。当p 型和n 型半导体接触时，在界面上形成了p n 结，并由于扩散作用在p n 结两侧形成耗尽层， 所以发光二极管为p n 结的结构，其发光叫做p n 结发光。如图1 2 所示为l e d 器件的结构 与发光原理副1 0 1 。其基本的工作原理是一个电光转换过程，在p n 结上加正向电压，产生少 数载流子注入，注入的少数载流子( 电子和空穴) 在传输过程中不断扩散，耗尽层减薄，少 数载流子与多数载流子不断复合，会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转 换成光能。这种发光现象是外加电场，产生电流，然后激发载流子，完成电能直接转变为光 。能韵过程下融广当平* 结船反向皂压时了吵数载流子难以注六了嘈揪光il e d 是注大式 电致发光的典型例子。当l e d 处于正向工作状态时，电流从阳极流向阴极，半导体晶体就发 出紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关【1 1 1 。电子和空穴之间的带隙宽度越大， 能量越大，产生的光子的能量就越高。电子的能量反过来与光的颜色对应，在可见光频范围 内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，桔色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具 有不同的带隙，从而通过选择不同带隙宽度的材料，就能制作出不同颜色的l e d 。 州产弋7 霞 l 乏i 蒹ll 旱体材 1 1 圊匹l 篇i 、_ ：? 每【一 ” 图1 2l e d 器件的结构与发光原理图 在l e d 注入式发光的同时，少数载流子与多数载流子的复合，并不是将电能1 0 0 转化成 了光能。其中有一部分产生了其他形式的能量，比如产生了声子，释放了热能，这部分的载 流子复合称作非辐射复合。非辐射复合主要包括多声子复合和俄歇复合两种形式。多声子复 合是指导带电子失去的能量可以变成多个声子即点阵波的能量量子，它将引起晶格震动， 继而使晶体发热，也可称为多声子跃迁；俄歇复合是指和价带空穴复合，把能量交给导带中 的另一个电子，使其处于高能态，再通过热平衡过程把多余的能量交给晶格，也可称为俄歇 跃迁。这两种情况的载流子复合产生了热能，这些热量成为了l e d 芯片温度的主要热源，导 致l e d 在工作过程中出现p n 结结温的升高现象。 l e d 光源与传统的照明光源相比较，有以下显著的优点： 照 杭州电子科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 发光效率高：l e d 的理论发光效率有4 0 0 - - 5 0 0 1 m w ，目前美国c r e e 已发表了最高发 光效率1 6 1 1 m w 的白光l e d ，并已成功应用与实践。相比之下，白炽灯和钨丝灯的发光效率 仅为1 2 2 4 l m w ，荧光灯和高压气体灯为5 0 - - 1 2 0 1 m w 。 ( 2 ) 耗电量低：l e d 耗电量很低，直流驱动，电光功率的转化率接近1 0 0 。同样照明效 果的情况下，耗电量是白炽灯泡的八分之一，荧光灯管的二分之一。就桥梁护栏灯为例，同 样效果的一个如光灯4 0 多瓦，而l e d 每个的功率只有8 瓦。就照明效果相对于传统光源能 节能8 0 以上。 ( 3 ) 使用寿命长：采用电子辐射发光，灯丝发光易烧、热沉积、光衰减等特点。而采用l e d 灯体积小，环氧树脂封装，可承受高强度机械冲击和震动，不易破碎。在恰当的电流和电压 下，使用寿命可达到6 万到1 0 万小时，比传统光源寿命长1 0 倍以上。 ( 4 ) 可靠、耐用：l e d 光源有长寿灯之称，发光效率达到白炽灯的5 到1 0 倍，使用寿命 可达6 万到1 0 万小时，也就是说在正常情况下正常使用5 年都无须更换及维修，大大降低了 换灯费与维护费。 ( 5 ) 相应速度快：l e d 相应速度快，相应时间为纳秒级，彻底消除了传统高压钠灯启动过 程过长的缺点。 ( 6 ) 绿色环保：l e d 是由无毒的材料制作而成的，无污染，全固态，不像荧光灯中含汞会 造成污染，可以回收再利用。同时其光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射， 眩光小，冷光源，可以安全触摸，是典型的绿色照明光源。 ( 7 ) 应用灵活：体积小，便于造型，可以随意组合，易开发成轻便的小型照明产品，也便 于安装和维护。 ( 8 ) 控制灵活：l e d 内置微处理系统可以控制发光强度，调整发光方式，并且可利用红、 绿、蓝三基色原理，设计出不同的色彩，甚至可以制成流水般跑动的或是奔放跳动的动态形 态，充分与艺术结合。这是传统光源所无法比拟的。 1 1 3l e d 的市场与应用前景 随着大功率白光l e d 的研制成功及迅速产业化。在p h i l i p s 、o s r a m 和c r e e 等大公司 的带领下，高亮度白光l e d 的发光效率取得了一次又一次的突破性进展，逐渐取代了白炽灯 和荧光灯，开始迅速地进入到普通照明的应用领域。目前，美国c r e e 公司生产的白光l e d 最高光效已达到1 6 1 l 删w ，已经大大超越了白炽灯和荧光灯的发光效率。然而l e d 灯的光效 在更多新技术的发展和资本的投入下不断提高，并且成本也开始逐渐下降，使其保证能够在 大部分的人的消费水平之中，必将以其较高的性价比，为普通消费者所接受【1 2 】。 近年来，l e d 的发展非常迅速，以其工作电压低、耗电量少、色彩丰富、发光效率高、 价格低，受到生产厂商、消费者和科研人员的青睐。在l e d 市场中一直保持着稳步增长的发 展趋势。以至于其应用领域涉及十分广泛，主要的应用可概括为以下几个方面f 1 3 j ： ( 1 ) 背光源：l e d 以寿命长、出光效率高、无干扰和性价比高等优点已普遍运用于小型液 4 杭州电子科技大学硕士学位论文 晶显示器的背光照明，如笔记本电脑、电子手表、手机、手持掌上电子产品及汽车、飞机仪 表盘等众多领域。 ( 2 ) 大屏幕显示：应用于各种大型的广告或告示牌，或大型场所中的指示牌。特别是基于 r g b 三基色的大型全彩动态显示屏显示，正被广泛应用于机场、火车站及汽车站的班次信息 显示，金融、证券等领域的实时信息更新，商场等大型场所的信息播放。近两年，全彩l e d 户外显示屏以代替了传统的霓虹灯、磁翻板等成为主流，尤其是在各大体育场馆已经成为标 准配备。 ( 3 ) 信号指示灯：l e d 作为指示灯使用，主要应用于汽车用灯、交通信号灯和电子产品及 各种电器指示灯等。在汽车用虹方面，对l 王m 瓤的平均无故障工作时间要求很蓓b 其使用寿_ 命一般都要超过汽车本身的使用寿命，确保在汽车使用期间无故障使用l e d 灯。l e d 灯具以 其节能、体积小、响应时间快、易于计算机控制、抗震性强和易于安装等优势，在汽车上被 广泛应用，从汽车内部的仪表显示面板、音响指示灯、阅读灯、开关的背光源，到外部的刹 车灯、转向灯、尾灯、侧灯以及头灯等，如图1 3 所示。目前，几家国际著名的照明公司都 已经推出了汽车前大灯的概念产品，在汽车工业如此高速发展的带动下，汽车用灯将成为l e d 产品高速成长的市场，在汽车领域的应用将大有可为。交通信号灯主要用超高亮度的红、绿、 黄色l e d 。由于交通信号灯推广速度快，正在逐步更新换代，是目前最有增长前景的领域。 由于l e d 对电流的通过非常敏感，极小的电流就可以使其发光，而且使用寿命长，能够长时 间闪烁而不损坏，因此在电子产品及各种电器的指示灯方面被广泛使用，在日常生活中随处 可见，这也是发光二极管出现后的早期应用领域。 图1 3 指不灯的应用 ( 3 ) 光色照明：l e d 在光色照明领域的应用，是由于其可以利用红、绿、蓝三基色原理， 创造出不同色彩的l e d 灯光的特点。目前主要应用于室外景观照明和室内装饰照明。外景观 照明应用主要有护栏灯、大功率投光灯、数码墙、地埋灯、树型灯、彩灯等。而室内装饰照 明，结合了其能投射出不同形状的动态效果特点，目前主要集中在室内气氛照明的应用，在 酒吧、商场、晚会现场等场合均能起到制造气氛的效果，并且通过智能控制可以实现灯光的 色温可调，可以随时变化，充分与艺术相结合，极大地提高人们的生活品质。例如随着人们 对生活品质的追求，现在流行的五彩圣诞树使用了l e d 灯，造型新颖、色彩丰富、不易破碎 且低压使用，非常安全。 ( 4 ) 普通照明：l e d 灯具在普通照明领域的应用主要是指家用照明，如图1 4 所示。与传 杭州电子科技人学硕士学位论文 统的白炽灯泡相比，l e d 灯具最大的优势是耗电量低，达到传统灯泡同等的发光亮度时，耗 电量仅为传统灯泡的6 ，以及其超长的使用寿命，在家用照明方面广受好评。再加上l e d 灯具体积小，易于安装，以及光色多变，能够配合现代多样的装修风格，发挥着传统光源无 可比拟的作用。但是l e d 灯具的价格还比较高，不是家家户户都能承受，也正因为这个原因 阻碍着l e d 灯具在普通照明领域的普及。在未来的发展中，只要l e d 灯具的成本随着技术 的不断提高而降低，那么节能灯和白炽灯必然会被l e d 灯具所代替。所以从长远角度考虑， l e d 灯功耗小，节能，且寿命长，相信在不久的将来使其遍布每家每户的照明市场，是未来 发展方向与研究重点。 图1 5l e d 防爆灯 总而言之，目前l e d 已经在背光源、大屏幕显示屏、信号指示灯、光色照明、普通照明、 以及特殊工作照明和军事运用等领域得到很好的推广。但是受限于白光l e d 的价格因素，相 对来说普通照明市场的占有率还比较低。同样受限于现有的技术因素，在汽车前大灯应用领 域，虽然l e d 还处于刚刚起步的阶段。只要在高亮度l e d ( h b l e d ) 技术的飞速发展促进下， 解决了在性能和成本上的问题，节能灯和荧光灯必然会被l e d 灯所代替，l e d 成为普通照明 光源的时同会越来越近【1 4 】。 1 2 散热对l e d 灯具的重要性 1 2 1 结温对l e d 性能的影响 温度对半导体的工作特性具有重要影响，半导体的电学参数和使用寿命都会因为温度的 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 升高而发生变化。l e d 是发光半导体器件的一种，除了电学参数、使用寿命会受到温度的影 响之外，其光输出也会受到温度的影响。特别是对于用于生活照明的大功率白光l e d ，温度 除了影响其寿命外，还对其光效、色温、颜色等输出参数具有较大影响【1 5 】。因此，我们需要 重点研究结温升高对l e d 器件寿命和光输出等参数的影响【1 6 1 。 ( 1 ) 对l e d 发光光效的影响 当l e d 结温上升时，外延层之间的晶格失配，形成位错结构缺陷、快速繁衍、降低注入 效率和发光效率。随着温度上升，光通量也将下降，当升至最大极限结温1 2 5 时，光通量 就会急剧下降，直至损坏。过高的结温对l e d 发光效率的影响可从内量子效率降低和发光波 长红移两方面分析【1 翟 1 ) 结温升高，导致内量子效率降低，l e d 光输出降低 由l e d 的发光原理可知，p n 结中空穴和电子两种载流子在发生非辐射复合后，多余的 能量不会以光子的形式被释放，而是转化为使晶格震动，以声子的形式被释放，并将其能量 转化为热能，造成p n 结温度的升高。根据半导体物理的有关理论可知，载流子在p n 结中复 合的几率是其寿命的倒数。内量子效率是辐射复合几率与总复合几率之比，用7 7 缸表示内量子 效率，表达式为式( 1 1 ) ： ：簪：三 ( 1 1 ) ，7 i n l2 二2 一 i l l ， l j i j i r 其中，t 为过剩载流子的总寿命，0 为辐射复合载流子的平均寿命，那么t a r 为非辐射复 合载流子的平均寿命，三者的关系可见表达式( 1 2 ) ： 三：土+ 土 ( 1 2 ) - r 。一， t t rf ” 有这两个公式可以得到式( 1 3 ) ： r1 = = 7 - ( 1 3 ) t r 、+ 1r g - 随着温度的升高，非辐射复合的平均寿命会减小，而辐射复合的平均寿命会增加，因此， 依据公式( 1 3 ) 有如下结论：温度的升高会使得l e d 的内量子效率逐渐降低。由于l e d 芯片 的外量子效率是通过内量子效率与光取出效率相乘获得的，其外量子效率会随着内量子效率 的下降而下降，即会造成l e d 的光输出发生改变。 2 ) 结温上升，导致发光波长红移，光通量减少 温度的升高不仅会改变器件的内量子效率，造成光输出减少，还会改变器件的禁带宽度， 使得l e d 的辐射光的主波长发生红移，其中l e d 的发光主波长与温度变化的关系如下式( 1 4 ) 所示。 凡p ) = 九( 霸) + a t x 0 2 n m c ( 1 4 ) 7 杭州电子科技大学硕士学位论文 其中，矗、 ( 露) 分别是温度t 与t o 时发射光主波长，r 为温差。从该公式可以得 到，芯片的结温每上升1 0 ，芯片发光的主波长将向长波方向移动2 r i m 左右，这就改变了芯 片发光的相对光谱组成，以至于荧光粉因为器件发出的光而失配，造成整体光输出的下降。 我们知道，实现白光l e d 的方式主要有四种：( 1 ) 利用r g b l e d 来实现，是将三种不同 颜色的l e d ( 混合红光l e d 、绿光l e d 和蓝光l e d ) 进行组合封装，通过调整各个颜色l e d 的功率来实现白光的产生。( 2 ) 将黄色荧光粉涂在蓝光l e d 外面，经过内部设计使得一部分蓝 光穿过涂层后光谱中包含蓝光部分，同时荧光粉也因为蓝光集合二次发射黄光，进而输出由 蓝光和黄光组合光，经过调整两种光的比例产生白光。( 3 ) 将绿色和红色荧光粉涂在蓝光l e d 外面；( 3 ) 利用u v - l e d 来实现，即将红，绿，蓝三种荧光粉都涂在深紫外l e d 的表面得出 三者的混合光，表现为白光。在这四种不同方式中，后面三种都需要荧光粉，不过在目前的 通用照明中主要采用第二种方式来实现，即在蓝光l e d 外涂黄色荧光粉( y a g 荧光粉) 的 方式。根据该方式光谱响应曲线图1 6 中所示，可以看出其峰值响应在4 6 0 n m 处，然后随着 入射光波长的增加而迅速减小。对于蓝光l e d 的发光主波长通常在4 6 0 r i m 左右，因此当结 温升高时，其发光主波长一旦红移，必然造成荧光粉的响应失配，为降低了输出光通量。 w a v m a g t v n m 图1 6 y a g 荧光粉的光谱响应 从上面的两个方面可以得出，l e d 芯片结温的上升，降低了其内量子效率，并且导致二 次激发效率也下降了，从而使得l e d 最终的光输出进一步下降，大大降低了l e d 的发光效 率。 ( 2 ) 对l e d 寿命的影响 兽 驾 j i 岫c l i 呻铂呷哪曲啦， 图1 7l e d 结温与器件寿命的关系 图1 7 为l e d 寿命和结温的关系图1 引。其中横坐标表示器件的结温，纵坐标表示器件的 参强c 皇u l o，霉付墨必 杭州电子科技大学硕士学位论文 工作寿命。从图中可以看出，随着结温的升高，器件的寿命迅速下降，然后逐渐趋于平稳。 由此可见，结温与寿命之间存在着一种指数关系，结温每升高8 1 0 ，器件的寿命将按指数 规律下降。所以l e d 器件在某个电流下工作时，过高的结温将大大减少使用寿命，甚至将会 导致l e d 器件的永久性失效。 结温过高影响对l e d 功能失效的原因主要有如下3 个方面： 1 ) 对芯片：高电流密度情况下，l e d 芯片会产生热化和强电场现象，长期的高温和强电 场，不仅会使得原子扩散和电极熔合的几率增加，而且会使得加断层密度和点缺陷增加。 2 ) 对电极的引线：电极引线对震动和电流冲击的承受能力都比较强，由于其含有环氧树 一脂，在膨胀系数上会与芯片材料之间存在差异，通常在外界环境高度较高的情况下可能会发 生引线断裂，导致灾难性失效，因此一般采用热导系数相近的材料来延长l e d 的使用寿命。 在对器件封装过程中，因为材料分布不均匀或者焊接质量较差造成电极通电不均，造成器件 局部过热的接触断裂，加速器件失效。 3 ) 对环氧树脂：一方面，温度升高以及蓝光和紫外线照射可以使环氧树脂的透明度严重 下降，另一方面，使用光学透明环氧树脂封装的l e d ，温度升高会使得环氧树脂转换为玻璃。 环氧树脂的玻璃转换温度为乃，当温度大于乃时，环氧树脂由类似玻璃的刚性固体材料转换 成具有有弹性的材料。这里要强调一点，温度处在z 时，环氧树脂的热膨胀系数变化较大。 在温度变化的过程中，封装树脂的膨胀和收缩加剧，使得金线键合点位移越来越大，导 致金线损坏，造成l e d 开路或突然失效。 1 2 2 散热设计研究现状 l e d 的热问题根源在于芯片功率密度高，由于芯片的面积较小，若不能将这些热量及时 的散发出去，将会使得l e d 的结温过高而影响发光效率及发光寿命。因此，热分析和热设计 对于大功率l e d 和l e d 多芯片组件都是十分重要的。一个完整的l e d 的设计，除了进行与 其功能相关的电路设计和光设计之外，热分析和最佳热设计也是其中重要的一部分。 电子封装在进行热设计及分析过程中，热阻值是对其封装的散热性能进行评估一个重要 参数。l e d 封装作为电子封装的一种，其热阻是反映封装散热性能的重要指标，主要用于实 现对超高亮度和功率型l e d 器件及阵列组件热设计合理性的验证。 通常用于测量l e d 器件热阻和工作温度的方法主要包括：红外热像仪，电学参数法，光 谱法，光热阻扫描法及光功率法等，这些方法都是根据不同的工作原理对l e d 器件表面温度 分布进行测量，并且要借助于专用的测试设备或系统才能实现测量【1 9 】。我们知道，对于通用 的l e d 灯具，其在电流不变的情况下，其正向偏压与结温成反比，通常利用这一关系可以实 现对l e d 结温的测量。还可以利用l e d 的波长随结温的变化关系，通过波长漂移法测量热 阻，但是难度较电压法稍大些。 这些测量l e d 现成灯具的温度的方法都需要专业的设备，以及严格的实验条件。最近几 年中，伴随着a n s y s 、c f d 等热分析软件的出现，随着有限元理论的逐渐成熟，采用有限 9 杭州电子科技大学硕士学位论文 元法进行热场仿真分析得到了广泛应用。尤其是这些仿真软件能够弥补电压法等方法只能测 得l e d 器件表面温度的缺点，可以得到内部温度场分布，对于三维封装的l e d 灯具更是非 常适用。 在对器件进行微观热场分析时，通常较多的使用有限元算法来实现。2 0 0 1 年开始就有人 员对大功率l e d 器件和系统级封装过程中出现的热问题进行了讨论，重点分析了芯片材料和 键合技术不同对l e d 散热性能产生的影响；2 0 0 3 年，通过建立荧光粉颗粒的热模型，对白 光l e d 的散热性进行了分析。2 0 0 4 年利用有限元分析和实验获取l e d 芯片级封装过程中产 生的关键性热问题，并对芯片缺陷对高亮度l e d 造成影响的原因进行了分析，通过计算取得 大功率l e d 的空间温度场温度，令芯片的电流密度为常量，保持不变，计算获取更大尺寸的 芯片温度分布。并计算该芯片的在额定条件下对功率和尺寸所能承受的最大值。 总而言之，减小l e d 灯具总热阻与改善散热效果，即解决热问题的方法可总结为以下几 种： ( 1 ) 提高器件的内量子效率，提高器件的电光转换效率，从根本上减少热量的产生，从而 降低芯片的温度；改进l e d 的散热结构，加快内部热量的散发，以降低芯片的温度。 ( 2 ) 减小l e d 本身的热阻。优化散热通道，选用合适的散热通道的长度、面积，减少散热 环节，消除散热通道上的热传导瓶颈，选用较高导热能力的材料。 ( 3 ) 选择合适的散热器。灯体散热筋的排列与布置应考虑间距，方向，表面处理等因素以 提高散热效果。一般采用自然对流散热，选择鳍片式散热器，那么在安装时要注意灯具的安 装方向，使得空气流动顺畅。 ( 4 ) 重视传热的均衡性，尽量保证灯体散热部分的温度分布均匀，充分发挥全部散热部件 的作用。 1 3 本文研究的内容 如何提高散热能力是大功率l e d 实现产业化亟待解决的技术难题之一，现阶段l e d 散 热系统把热量从l e d 芯片传导基板后通过散热器散热。为了改善大