（微电子学与固体电子学专业论文）功率型led的热学分析和研究.pdf

摘要 发光二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，l e d ) 是一种半导体发光器件，凭借其 绿色环保，节能高效，长寿稳定以及多彩便利等优点，在各种照明和指示场所得 到了迅速的发展和广泛的应用，并将逐步取代现有光源而成为未来的新一代光 源。随着l e d 的发展，功率型l e d 在照明领域的应用愈加广泛，但是由于l e d 产生热量大，热效应导致结温升高，严重影响到了功率型l e d 的性能。 本文主要对功率型l e d 的热学性质进行了分析和研究。首先介绍了l e d 的 特点和工作原理，并对有限元理论和热学原理进行了分析说明；其次利用正向电 压法对l w 的功率型l e d 进行了结温的测试，并利用有限元分析软件对相应的 功率型l e d 进行建模和分析，获取到了准确的结果；再次，利用有限元分析软 件对功率型l e d 的封装材料和模式进行分析，获取结温和热阻数据并进行材料 和模型优化，获取了最佳的材料和模型来降低结温；然后，对利用热电制冷器件 和热管的功率型l e d 的封装建立散热模型并仿真，获得较好的结果，可对结温 进行较好的控制；最后，对功率型l e d 的阵列进行模拟和设计，并提出优化方 案。 本文对功率型l e d 的各种封装形式进行了模拟和优化设计，获取了各种情 况下的数据，本文中所获得的理论性的数据和分析对于实际l e d 器件封装结构 和热管理设计具有一定的参考意义。 关键词：功率型l e d 热管理有限元分析封装 a b s t r a c t a sak i n do fl i g h te m i t t i n gs e m i c o n d u c t o rd e v i c e ，l e d ( l i g h te m i t t i n gd i o d e ) h a sb e e nd e v e l o p e dr 印d l ya n da p p l e dw i d e l yi nv a r i o u s a r l ：a sw i t hi t sa d v a n t a g e so t g r e e n ，e n e 唱ye 衢c i e n t ，l o n gl i f e ，s t a b i l i 吼r i c hc o i o r sa n dc o n v e n i e n c e a l s o ，l t w 1 i l g r a d u a l i yr e p l a c et h ee x i s t i n g1 i g h t s d u r e e sa n db e c o m et h en e x tg e n e r a t l o n1 1 9 h t s o u l r c ei nt h ef u t u r e w i t ht h ed e v e b p m e n to fl e d ，h i g hp o w e rl e d i sb e c o m i n g m o r ew i d e l yu s e di n1 i 曲t i n g b u tb e c a u s eo f t h eh e a tg e n e r a t e db yh i 曲p o w e rl e d ， t h e r m a le 仃e c t sc a u s et h ej u n c t i o nt e m p e r a t u r e r i s ea n ds e r i o u s l ya 骶c tt h e p e 舶n n a n c eo f h i 曲p o w c r l e d t h et h e r m a lp r o p e r t i e so fh i g hp o w e rl e d a r ea n a l y z e da n ds t u d i e di nt h i sp a p e r i nt h ef j r s t ，t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dw o r k i n gp r i n c i p l e o fl e da r ei n t 】o d u c e d ，a n d t h e r m a ln n i t ee l e m e n tt h e o 呵锄dp r i n c i p l eo ft l l ea n a l y s i sa r es h o w e d s e c o n d l y ， f o n ) r a r dv o l t a g em e t h o di su s e dt ot e s tt h ej u n c t i o nt e m p e m t u r eo f1w h i 曲p o w e r l e d a n db a s e do nt h ec o r r c s p o n d i n gh i 曲p o w e rl e d ，a c c u r a t e r e s u l t sw e r e a c c e s s e db ym o d e l i n ga n da n a l y s i sw i t hn n i t ee l e m e ma n a l y s i ss o m a r e i no r d e r t o o b t a i ni u n c t i o nt e m p e r a t u r ea n dt h e m a lr e s i s t a n c ed a t ao fh i 曲p o w e rl e d ，t h e p a c k a g i n gm a t e r i a l sa n dp a t t e m sw e r ea n a l y z e dw i t h 矗n i t ee l e m e n t a n a l y s l ss o 脚a r e ， a n dt h eb e s tc h o i c eo fm a t e r i a l sa n dm o d e l st 0r e d u c et h ej u n c t i o nt e m p e r a t u r eh a v e b e e na c c e s s e db yt h eo p t i m i z a t i o n t h e n ，t h et h e r m a lm o d e l0 fh i 曲p c l w e rl e d p a c k a g eu s i n gt h e r n l o e l e c t r i cc 0 0 1 i n gd e v i c eo rh e a tp i p e 、a s s e tu pa n ds i m u l a t e d ， g o o dr e s u l t sw e r co 胁i n e d t h e s em o d e l sc 锄e 毹c t i v e l y r e d u c e也ej u n c t l o n t e m p e r a t u r e f i n a l l y ，锄o p t i m i z a t i o np r o g r a m i sp r o p o s e da r e rat y p eo fh l g hp o w e r l e d a n r a yp a c k a g e h a db e e ns i m u l a t e da n dd e s i g n e d i nt h i sp a p e r ，av a r i e 够o fp o w e rt y p el e dp a c k a g e i ss i m u l a t e da n do p t i m l z e d t h et h e o r e t i c a ld a t aa n da n a l y s i so b 翻n e dh a ss o m e r e f e r e n c ev a l u e1 0 rt h ea c t u a l l e dc i e v i c ep a c k a g i n ga n dt h e 咖a lm a n a g e m e n td e s i g n k e yw o r d s ：h i 曲p 0 w e r l e d ，t h e r m a lm a n a g e m e n t ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ， p a c k a g i n g 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论帚一旱辐比 发光二极管( l i 曲te m i t t i n gd i o d e ，l e d ) 是一种固态光源，具有高效，节能， 绿色等特点，它是基于p n 结( 二极管) 电子与空穴复合原理的电致发光器件。 目前，l e d 正愈加广泛地应用在照明，指示，汽车，显示等诸多领域，并且 逐渐显示出其在未来照明领域的主导性。在世界共同寻找2 1 世纪新光源的过程 中，半导体照明逐渐显现出其革命性，l e d 将成为2 l 世纪的新光源已经成为世 界的共识。 1 2l e d 发展和特点 l e d 是一种将电能转化为光能的半导体二极管。目前l e d 的发展已经过了 其发展的初期和中期，正在进入成熟期的快速发展中。l e d 作为一种新型的发 光半导体器件，由于其特点符合世界发展的要求，正在得到愈来愈广泛的应用。 1 2 1l e d 的发展 1 9 0 7 年，h e n 巧j o s e p hr o u n d 在s i c 材料中发现了电致发光的现象，基本确 认半导体发光的原理。 1 9 6 2 年，美国通用电气公司的h o i o n y a k 利用气相外延( v p e ) 的方法研制 出第一支l e d ，但其发光效率还不到o 1 m l w 。之后，m o n s a n t o 和惠普公司对 l e d 进行了技术上的改进，在1 9 6 8 年生产出了6 6 5 n m 的商用化g a a s p g a a s 红 色光的l e d 。1 9 6 7 年，贝尔实验室的l o g 锄等分别用z n 0 和n 掺杂g a p 研制 出红色光和绿色光l e d 。1 9 7 2 年，m o n s a n t 0 的c r a f o r d 利用氢化物气相外延， 以g a p 为衬底，用n 掺杂g a a s p 研制出橙红色光和黄色光l e d 。i b m 的w 6 0 d a i l 用液相外延( l p e ) ，以g a p 为衬底生长a l g a a s 研制出红色光l e d ，此时l e d 的效率提高到了1l m w 。2 0 世纪8 0 年代初日本西泽润一利用液相外延生长的 a 1 g a a s g a a s 单异质结提高了l e d 性能，但l e d 效率还是小于2 l m ，w 。 2 0 世纪9 0 年代初惠普和东芝公司利用低压化学汽相淀积( l p m c v d ) 研制 第一章绪论 出i n g a a l p 的l e d ，之后c r a f o r d 等利用g a p 透明衬底使得双异质结l e d 发光 效率达到2 0 l m w ，之后至今红光和黄光l e d 可达到1 0 2 l “w 和6 8 l 州w 。 1 9 9 3 年日本日亚公司的中村修二采用化学气相淀积技术并解决了g a n 的退 火问题后，研制出蓝宝石衬底的高亮度蓝色光l e d ，效率可达2 5 l m w 。美国的 c r e e 公司利用s i c 衬底制作i n g a n 蓝色光l e d 。 1 2 2l e d 特点和现状 作为新型光源，l e d 具有独特的优点，与传统的光源相比拥有巨大的优势【2 】： ( 1 ) 效率高。白炽灯光效为1 5 l m 八，卤钨灯光效为2 5 l “w ，荧光灯光效为 7 0 i 删w ，而l e d 的理论光效可达3 0 0 l 州w ，目前能达到1 0 0 1 6 ll 删w ，效率高 于传统光源。预计到2 0 2 0 年，l e d 的发光效率可以达到2 0 0 l m w 。 ( 2 ) 功耗低。l e d 的工作电流小，工作电压低，因此功耗较低。 ( 3 ) 寿命长。白炽灯寿命为l 0 0 0 小时，荧光灯、金卤灯为1 0 0 0 0 小时，高压 钠灯为2 0 0 0 0 小时。而l e d 的理论寿命可达5 1 0 亿小时，远远高于传统的光源。 ( 4 ) 环保。传统的灯具大多含有汞等对人体有害的重金属，会对环境和人体 造成一定的危害。而l e d 中不含重金属，不会产生有害气体，绿色环保。 ( 5 ) 响应快。l e d 作为半导体光源，响应时间数量级为1 0 8 秒，而白炽灯响 应时间数量级为1 0 。秒。l e d 响应时间远远短于常规光源，可以应用于汽车刹 车灯等要求快速响应的场合，也可以利用脉冲电压驱动，便于调光。 ( 6 ) 可靠性高。l e d 结构牢固，抗冲击能力较强，相对传统光源不易损坏。 ( 7 ) 体积小。l e d 体积小，接近点光源，因此，l e d 灯具的开发灵活度较高， 可做成各种轻薄的光源产品。 由于l e d 具有上述的优点，l e d 在各领域得到了广泛的应用。随着l e d 的 迅速发展，l e d 正逐渐大规模应用于照明，显示和装饰等各个方面： ( 1 ) 照明。由于l e d 相对于传统照明光源巨大的优势，白光l e d 开始逐渐 取代传统光源，成为生活，工业，汽车等照明领域的新型光源，并将实现照明领 域的绿色革命。( 2 ) 显示。l e d 在显示屏，指示灯以及显示器背光等方面的应用 越来越广泛并在逐步占据更多的市场。( 3 ) 装饰。在装饰方面，发出各种颜色光 的l e d 形成了各式各样，五颜六色的景观装饰灯。 在国际上，l e d 产业形成了以美国，欧洲，亚洲为主导的产业格局。美国， 德国和日本具有l e d 外延片和芯片生产巨大的核心技术优势，而中国的台湾地 区已经逐渐成为全球重要的l e d 生产基地，中国和韩国等国家和地区也在积极 发展l e d 产业。各个国家和地区也相继推出半导体照明计划，来推动l e d 产业 的发展i j j ，如表1 1 所示： 2 第一章绪论 l e d 产业的生产环节主要包括外延片的生产，芯片的制造，器件的封装和器 件的应用等四个环节。其中，外延片生长技术是最关键的技术，价值占整个产业 链的7 0 。目前全球的l e d 核心技术大多掌握在n i c h l a ，c r e e ，t o v o d ag o s e i ， o s r a m ，p h i l i p sl u m i l e d s 等公司。而近年来，我国的l e d 产业发展迅速，外延 和芯片产能增长迅速，国产l e d 在芯片、封装、应用等方面已经形成了巨大的 产业链。我国和我国的台湾地区的l e d 封装产量已经成为世界第一。 1 2 3l e d 面临的问题 l e d 在发展和应用过程中，也面临着很多问题【l 】【4 】。 首先，l e d 的发光效率和显色特性还有待提高。l e d 的发光效率比最初提 高了约1 0 0 0 倍，但是距离理论效率还有比较大的距离。l e d 的显色特性作为白 色光l e d 应用的关键因素，也和传统的照明有一定的差距。目前制造白色光l e d 一的方法有荧光粉转换式，多色组合式和多量子阱式。当前应用最广泛的方法是蓝 光芯片加荧光粉合成白光技术，但由于这种方法存在较大的能量损失导致外光效 损耗较大。而利用红，绿，蓝等多颜色的芯片组合产生白光的技术，无需光谱转 换，能量损失较小，提高了外光电效率，但其结构较复杂，驱动要求较高，且产 生的自光不均匀。多量子阱方法通过在芯片外延层的生长过程中掺杂不同杂质， 使得多量子阱能产生多种互补光色，通过不同量子阱发出的多种颜色的光复合产 生白色光，这种方法技术要求较高，目前还难以大规模应用，相信这会是l e d 的发展趋势。 其次，l e d 的散热问题已经成为制约l e d 发展的重要因素。随着l e d 功 率的不断增大，l e d 的发热问题也愈加严重，成为制约l e d 发展的瓶颈。热效 应严重影响了l e d 的寿命，效率，光色等参数，如果热问题处理不好，l e d 芯 片结温升高会造成器件性能变化和衰减，甚至失效i 引。结温的上升降低p n 结发 光复合的凡率，导致发光亮度下降，同时产生热饱和现象。结温上升也使l e d 发出的光产生红移现象，导致蓝光波长与荧光粉激发波长失配，从而降低白光 第一章绪论 l e d 发光效率，并导致白光色温的变化。 再次，l e d 的光分配问题。l e d 为点光源，发出的光亮度高且方向性较强， 若不进行光分配，在照明阵列应用中会形成光点阵列，使得出光的均匀度和美观 性较差。因此，在照明的应用中，需将l e d 照明阵列进行二次光学设计，从而 达到均匀的光强分布和理想的照明效果。 最后，l e d 驱动电路的设计也对其工作状态有重要影响。高效稳定的l e d 驱动电路是l e d 正常工作和节能的保障。 1 3 本文研究内容 由以上介绍可知，随着功率l e d 的发展，功率l e d 封装的热管理已经成为 l e d 亟待解决的关键问题之一。目前在l e d 应用过程中，热问题对功率l e d 的 效率，寿命以及光色，光均匀度产生了巨大影响。l e d 封装的热管理也引起了 国内外学者关注，也有很多改进l e d 热管理的方式和方法提出【6 】 f 9 】，钱可元等 对正装和倒装焊的功率型l e d 芯片进行了封装并且测试了芯片的温度分布，李 华平等人对功率型l e d 封装的基板材料进行了模拟。但在功率l e d 封装的热管 理设计中，很少有对各种散热封装进行系统化的热模拟和优化设计。 本文首先探讨了l e d 的芯片和封装技术，阐述了热管理在功率l e d 应用中 的重要性；在对有限元方法理论进行探讨后，通过有限元法对功率l e d 进行模 拟，并和实际功率l e q 芯片温度测量结果对比，证实有限元方法在功率l e d 热 管理设计中的可靠性；然后对功率l e d 相关的封装结构进行热分析并提出优化 方案。通过利用有限元分析软件( a n s y s l l ) ，力求更实际地表现l e d 芯片在 不同封装设计中的温度，通过对温度分布的分析和计算而获得更好的热封装方 式，尽量在效率和成本之间寻找可应用的优化热封装方式。 4 第二章大功率l e d 芯片及封装技术 第二章大功率l e d 芯片及封装技术 2 1l e d 发光原理 l e d 的核心是由三五族化合物，如g a n ，i n g a n ，i n g a a l p 等半导体制作的p n 结，也可采用双异质结和量子阱结构。 2 1 1l e d 发光机理 l e d 通过加在p n 结电极两端的电压使得p n 结有电流通过，激发载流子而 电致发光。其发光原理是l e d 在正向电压作用下，电子由n 区注入p 区，空穴 由p 区注入n 区，注入对方的少数载流子和一部分多数载流子复合而释放能量 发出光子，当产生光子的能量使得光的波长刚好处在可见光区域时，便可产生可 见光，如图2 1 所示。l e d 可以产生各种颜色的光。 p 型 卜塑一 n 犁 鳓豁= 一搿叠i 攀麓l 鬻oooo | ? 萼 1 托 h j 曩鬟搿髅缈缎_ 一j f 蠹 霍 l 鬻臻瀑鎏爹 oooo 一j 硝 籍_ j ； _ r * l | 器溪 鬻 ooo o ；1 囊 一 躜l 第二章大功率l e d 芯片及封装技术 一昂 ( a ) 平衡p n 结 l 囊 电子流 l 幸蔓苎 l _ 一i 。： 葛扛 p 型 空穴流n 登 图2 2 注入发光能带图 ( b ) 正偏注入发光 为了提高少数载流子的注入效率，l e d 也可以采用异质结结构。由于p 区和 n 区禁带宽度不同，导致势垒不对称，若p 区禁带宽度大于n 区，当加上正向 偏压时会导致p n 结两边价带等高，p 区空穴不存在势垒，可以源源不断向n 区 扩散，提高了注入效率，禁带宽度较小的区域成为发光区，提高了发光效率。由 于较宽禁带宽度的区域对发出的光子是透明的，可以作为发出光的透出窗口，但 是异质结的交界面上的晶格失配可能会造成缺陷，一般用多次外延层，过渡层或 缓冲层来缓解。 把有源层变薄之后，可以增加辐射复合概率并减小吸收，而且当有源层薄到 一定程度也可以减少晶格失配。但是当有源层厚度可以跟晶体中电子的德布罗意 波长相比拟时，载流子会被限制在量子阱内。单量子阱结构和多量子阱结构都被 应用于高亮度l e d 兰钟f l l 】 2 1 2l e d 效率参数 。 l e d 发光的效率包括量子效率，功率效率和发光效率。 l e d 在发光过程中同时存在着辐射复合和无辐射复合，不同材料的两者复合 概率不同，进而导致具有不同的发光效率。发射出光子的效率取决于非平衡载流 子辐射复合寿命0 和无辐射复合寿命l ，的相对大小。直接跃迁复合的内部量子 效率如公式( 2 1 ) 所示： 单位时间内产生的光子数 力= = 一 吖 单位时间内注入的电子空穴对数 6 第二章大功率l e d 芯片及封装技术 1 仇= 彘= 壶 + 一l + l t n r气r。t 间接跃迁复合的内部量子效率可粗略表示为： 刁f = 盯刀1 ( 2 1 ) 彻坞吃一x p ( 刁 q 乏 其中，盯为复合截面，”为发光中心浓度，为猝灭中心浓度，吒为猝灭中 心对载流子俘获截面，e 为发光中心的离化能。 由于辐射所产生的光子并不能全部发射到晶体外面，而是有一部分被晶体再 吸收或者反射回晶体内部，而使得只有辐射复合出的一部分光子能够脱离晶体表 面发射到外面，因而，需要引入外部量子效率来描述半导体材料的总的有效的量 子效率： 单位时间内发射到外部的光子数 r ，= 一 1 。 单位时间内注入的电子空穴对数 。：4 屯e d 的功率疲率是指l e d 把输入功率转化为辐射功率尸的效率： l 量t p q p = i 。 p l e d 的发光效率仉是指单位电功率下能够输出的光通量的效率： ff 吼2 虿= 万 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 其中，i ，v 分别是l e d 工作状态下的偏置电流和电压，为输入电功率， f 为总的光通量( 1 m ) 。 第二章大功率l e d 芯片及封装技术 2 1 3l e d 光学参数 l e d 的光学参数主要包括光度量，辐射度量和色度量等方面。 光度量一般包括发光强度和总光通量。发光强度简称光强，国际单位是坎德 拉( c a n d e l a ，c d ) ，指光源在指定方向的单位立体角内发出的光通量。总光通量是 表征l e d 输出总的光通量，单位为流明( 1 m ) 。发光强度为1 坎德拉的点光源在 单位立体角( 1 球面度) 内发出的光通量为l 流明。 辐射度量主要有辐射强度和总辐射通量。辐射强度是指单位时间，源单位立 体角内的辐射能量。光源在单位时间内所辐射的能量称为辐射通量，单位为w 。 与光度量和辐射度量相关的还有发光亮度，半强度角，照度，发光效率，光 谱辐射带宽等参数。在某方向上发光体表面亮度等于发光体表面上单位投射面积 在单位立体角内所辐射的光通量，单位为c d m 2 或尼特( n i t ) 。半强度角又称为 半值角，指光源中心法线方向向四周展开，中心光强i 到周围l 2 之间的夹角， 即为半强度角1 2o 。光源的照度指物体被照亮的程度，采用单位面积所接受的 光通量来表示，表示单位为勒【克斯】( l u x ，i x ) ，即i m ，m 2 ，1 勒 克斯】等于1 流 明( 1 m ) 的光通量均匀分布于1 m 2 面积上的光照度。照度是以垂直面所接受的光 通量为标准。流明效率指发出光的光通量与加在l e d 的能量的比，用流明瓦 ( 1 m w ) 表示。 色度量的相关参数主要有色温，色纯度，波长( 主波长，峰值波长和中心波 长等) 和半宽度( 带宽) ，显色指数。色温即颜色温度，是光色的一种标度，如 果某一光源的光色和黑体的光色相同，此时的黑体热力学温度则为该光源的色 温，单位为k 。光的颜色鲜艳度由光的主波长和色纯度表示，目前l e d 一般用 主波长表示鲜艳度。 2 1 4l e d 电学参数 l e d 电学参数一般包括开启电压，正向电流，正向压降，反向漏电流，工作 耗散功率等。l e d 和其他二极管一样具有单向导电性，其工作区域分为正向死 区，工作区，反向死区，反向击穿区。 开启电压指开启l e d 发光的电压值，红色光和黄色光l e d 开启电压一般为 0 2 o 2 5 v ，绿色光和蓝色光l e d 一般为0 3 o 3 5 v 。正向电流是指l e d 在工作 区时正常工作时的电流，此时对应的压降为正向压降。l e d 加反向电压时，在 反向死区，此时有反向电流通过，但是小于3ua ，一般为0 | la ，该电流为反向 漏电流。l e d 正向工作时的电压电流积为工作的耗散功率。 l e d 具有一些极限参数，一般包括允许功耗，最大正向电流，最大反向电压， 第二章大功率l e d 芯片及封装技术 工作环境温度。l e d 在使用过程中不能超过极限参数，否则会被烧坏或者击穿。 最大允许功耗一般是指2 5 时的额定功率。最大正向电流由允许功耗决定，一 般工作在其6 0 。最大反向电压是指将l e d 反向击穿的电压值，一般为 1 0 v 1 5 v 。如果工作环境温度太高则l e d 会由于发热而烧毁。 l e d 在其他情况下还有结电容，响应时间等高频参数。 2 1 5l e d 热学参数 l e d 热学参数主要有结温，热阻和壳体温度等。 热阻定义为热平衡条件下，两个规定点( 或区域) 温度差与产生这两点温度 差的热耗散功率之比，单位为刈w 或w 。l e d 热阻是由器件的尺寸、结构及 材料所决定的固定值。l e d 的热阻包括导热材料本身的热阻和材料之间的接触 热阻，接触热阻是指当热量流过两个相接触固体的交界面时，界面本身对热流呈 现出明显的热阻。 当l e d 工作时，l e d 的p n 结结温会上升，结温上升是由电流的热损耗而 引起的，p n 结温度上升的值为热阻和热耗散功率的积。由于l e d 芯片一般具有 很小的尺寸，因此可以把l e d 芯片的平均温度视为结温，降低l e d 的结温，首 先应该设法提高l e d 芯片的电光转换效率( 外量子效率) ，使尽可能多的输入功 率转变成光能，另外的一个重要途径应该设法提高l e d 封装结构的热散能力， 使结温产生的热量通过各种优化的途径散发到周围环境中去。 壳体温度是l e d 在工作时外壳的温度，由于l e d 工作时，需要通过壳体散 热，导致壳体也会发生温度升高。 2 1 6l e d 其他参数 l e d 用有效寿命来评判l e d 可正常工作的时间。l e d 器件在正常工作条件 下，半衰时间越长，则说明l e d 的寿命越长。l e d 的寿命与使用时系统的散热 条件，出光效率有直接的关系。 此外，l e d 其他相关参数还有辐射安全，防静电指标，环氧封装质量等。 2 2l e d 衬底技术 l e d 衬底技术主要是对l e d 衬底材料的选取和制备。由于衬底和外延层的 晶格匹配程度影响着外延层的稳定性以及质量，因此衬底材料的选择应当符合 l e d 的光学，热学，电学方面的要求，使得l e d 达到最佳的效果。 9 第二章大功率l e d 芯片及封装技术 l e d 衬底材料目前有很多种，主要有蓝宝石( a 1 2 0 3 ) ，碳化硅( s i c ) ，硅( s i ) ， 以及氮化镓( g a n ) ，砷化镓( g a a s ) 和氧化锌( z n o ) 等材料。 ( 1 ) 蓝宝石衬底( a 1 2 0 3 ) 。g a n 和i n g a n 材料主要生长在蓝宝石衬底上。 蓝宝石衬底的优点是：一，化学稳定性好，机械强度高。二，透光性好，不 吸收可见光。三，技术成熟，价格适中。蓝宝石衬底也有一定的缺点，具体表现 为：一，晶格失配( 与g a n 失配率为1 6 ) 和热应力失配较大。二，导电性差， 电阻率大于1 0 1 1q c m 。三，硬度高且不容易加工。四，导热性较差。在蓝宝石 衬底的应用当中一般采用生长过渡层，同侧p ，n 电极，激光划片等方式来解决 蓝宝石衬底的不足。 ( 2 ) 碳化硅衬底( s i c ) 。碳化硅衬底目前的市场占有率仅次于蓝宝石，c r e e 公司主要利用碳化硅衬底制作l e d 。 碳化硅衬底的优点有：一，化学稳定性好。二，晶格失配小( 与g a n 失配 为0 5 ) 。三，具有很好的导电性和导热性( 导热性为硅的三倍) 。四，碳化硅 衬底不吸收可见光，可以减少在出光过程中光被材料的吸收量。碳化硅衬底与 g a n 间的晶格失配比蓝宝石小，结合一定的生长技术，可以得到结晶品质更好 的外延片，更适宜于制备紫光或更短波长的发光器件。另外，由于良好的导电性 和导热性，利用碳化硅衬底可以制作水平接触电极，有利于制作大面积大功率器 件。但是碳化硅衬底材料也具有价格较高，机械加工性能差，晶体质量不如蓝宝 石和硅的缺点。 ( 3 ) 硅衬底( s i ) 。硅衬底可用来制作水平接触( 有利于提高出光效率) 和垂 直接触的电极。 ，7 硅衬底具有成本较低，容易加工，导电性、导热性和热稳定性良好等一系列 优点，在硅衬底上生长g a n 有利于降低生产成本。但硅也具有和氮化镓之间存 在较大的晶格失配和热失配，对光的吸收较多等缺点。 表2 1 主要衬底材料性能 l o 第二章大功率l e d 芯片及封装技术 ( 4 ) 氮化镓衬底( g a n ) 。氮化镓衬底是生长氮化镓外延层最理想的材料。 由于氮化镓制备比较困难，导致其价格较高，因而难以实现商品化。一般制 备氮化镓衬底方法为在蓝宝石或碳化硅的结晶层上利用氢化物气相外延( h v p e ) 生长氮化镓厚膜，然后将衬底和氮化镓剥离。 ( 5 ) 砷化镓衬底( g a a s ) 。砷化镓衬底的优点是其晶格常数和外延层比较匹配， 可用来生长g a p ，g a a s ，a l g a a s 和a l i n g a p 等外延层，当前砷化镓衬底利用较 为广泛。但是由于其具有吸收发出光的缺点，因此在一定程度上影响了发光效率。 ( 6 ) 氧化锌衬底( z n o ) 。由于氧化锌衬底和g a n 晶格匹配较好( 失配率为 0 2 ) ，是生长g a n 的良好衬底。但氧化锌具有在外延生长环境中易分解、易腐 蚀等不太稳定的化学性质。 2 3l e d 封装技术 l e d 封装是从分立元件封装技术的基础上发展而来的，l e d 的性质决定了 l e d 封装的要求：首先，l e d 的封装应该和分立元件一样要求有器件物理保护； 其次，应当具有良好的电特性，热传导特性等封装要求；再次，作为发光器件， 其封装亦要求要有很好的光特性。由于l e d 封装具有一定的复杂性和特殊性， 使得对l e d 的封装形成了各式各样的方法。 2 3 1l e d 封装形式 i ， l e d 目前的封装形式一般有引脚式封装，多芯片集成封装，平面发光器件的 封装，表面贴片封装，食人鱼l e d 封装，功率型l e d 封装。 引脚式封装用环氧树脂作为包装材料，芯片约9 0 的热量由引线架( 主要是 阴极) 传递到p c b 板上，再散发到空气中。透镜直径有1 0 m m 8 m m ，5 m m 和 3 m m 等，透镜头可根据需要制成各种形状和颜色。 目前大尺寸芯片还存在散热和发光均匀性较差及发光效率低下等问题。由于 小芯片技术成熟，将多个小尺寸芯片高密度地集成在一起封装而成的多芯片集成 封装l e d 可以获得较高的光通量。 平面发光器件是多个l e d 芯片直接封装成的结构器件，根据不同的结构， 可以构成各种的显示器件，用于仪器仪表的显示。具有工作电压低，省电，色彩 鲜艳，寿命长等优点。 表面贴片l e d 是一种表面贴装式半导体发光器件，体积小，散射角度大， 发光均匀性好，可靠性高。表面贴片的l e d 一般有两种封装结构，金属支架片 式l e d 和p c b 片式l e d 。 第二章大功率l e d 芯片及封装技术 食人鱼l e d 封装外形很像食人鱼，有四个铜制的支脚，当l e d 工作时可以 通过四个支脚将热量导出，比普通的支脚式封装热阻小一半，可以延长器件的使 用寿命。食人鱼l e d 封装广泛用于灯箱广告和大字体的亮灯，以及汽车的刹车 灯和转向灯等领域。 当前l e d 朝着大功率，高光效的方向发展。大功率l e d 由于有大的耗散功 率，大的发热量，以及大的出光量等特点，所以在封装形式，材料以及封装结构 上同小功率l e d 不同，具有特殊性。当前大功率l e d 封装的散热问题还未能很 好的解决，有待于进一步的优化，以使得l e d 有更好的散热效果，达到更长的 寿命和更好的效果。功率l e d 封装形式如图2 3 所示： 2 3 2 功率型l e d 封装 图2 3 功率l e d 封装 功率型l e d 的芯片具有水平接触和垂直接触两种形式。 基于s i c 衬底的l e d 芯片，可以做成水平接触，由于s i c 可以导电，其结 构上下各有一个电极。在芯片衬底上镀一层金属，再在热沉上镀一层金属，然后 将芯片和热沉熔合在一起，这种方法上下两面输入电流，热沉也成为一个电极， 具有较小的热阻，散热较好，光效较高。 基于垂直接触的l e d 芯片，p 、n 两个电极都在同一面。衬底一般为蓝宝石， 在底层外壳上一般有一层反射层，使反射光从正面射出，提高光效。下面用导热 胶与热沉粘合。由于p 型g a n 掺杂困难，一般采用p 型g a n 上制备透明电极， 使电流扩散，但这种构造影响了光效，且蓝宝石导热性能差，影响了l e d 器件 的性能和寿命。2 0 0 1 年，l u m i l e d s 公司研制出了倒装芯片结构。l e d 芯片通过 凸点倒装连接到硅基上，这样热量不必经由芯片的蓝宝石衬底，而是直接传到热 第二章大功率l e d 芯片及封装技术 导率更高的硅或陶瓷衬底，再传到金属底座，由于其有源发热区更接近于散热体， 可降低内部热沉热阻，而且光可以通过蓝宝石发出，可以增大发光效率。 功率型l e d 封装材料主要包括粘贴材料，基板材料等。 芯片粘贴材料主要有导热胶，导热银浆和锡浆。导热胶的价格低，但是导热 性能较差，不适合做功率型l e d 芯片的粘结材料。导热银浆具有较好的导热特 性和较高的粘结强度，但其在提升亮度的同时会发热，而且含铅等物质。锡浆的 导热特性和导电性能相对来说是比较好的。 当前l e d 的生产应用中多用陶瓷、铝板和铜板作为散热基板材料，这类材 料具有较好的导热性能以及较低的价格。采用c 删。板和cu 1 w 板等合金作为 散热材料，可以较好地解决芯片材料与散热材料之间因热膨胀失配而造成的电极 引线断裂等问题，拥有较好的导热能力，但这类合金成本较高。 2 4l e d 结温的影响 图2 _ 4 功率型l e d 封装截面 i c p c b 随着l e d 结温的升高，会对l e d 的电学特性，光学特性以及有效寿命等参 数产生一系列的影响。目前大功率l e d 的功率效率仅能达到1 0 2 0 ，有 8 0 9 0 的能量转换成热副1 2 】，因此，对于大功率l e d 来说，转化为热量的 输入能量，会使得l e d 芯片的结温急剧上升。 首先，l e d 结温上升会对l e d 的电学特性产生影响。随着l e d 结温的上升， 其正向压降会相应变低。 其次，l e d 结温上升会对l e d 的光学特性产生影响。由于结温的上升会使 p n 结发光复合的几率下降，因此l e d 发光的亮度就会下降。同时，由于热损耗 引起的p n 结结温增高，l e d 发光亮度将不再继续随着电流成比例提高，产生热 饱和现象。而且随着结温的上升，使得l e d 发出光的峰值波长也向长波方向漂 第二章大功率l e d 芯片及封装技术 移，产生红移现象。对于荧光粉转换式白光l e d 来说，蓝光波长的漂移会引起 与荧光粉激发波长的失配，从而降低白光l e d 的整体发光效率，并导致白光色 温的改变。 再次，l e d 结温上升也会对l e d 的有效寿命产生严重影响【1 4 】。结温每升高 8 1 0 ，器件寿命将按指数规律下降。 2 5l e d 散热方式 ， l e d 的p n 结到周围环境的热传递方式有传导，辐射和对流。从芯片结到外 延层、从外延层到封装基板、从封装基板到冷却装置的3 个环节，构成了l e d 的散热通道。3 个环节中都应该选用热导系数高( 热阻系数低) 的材料。 首先，可以对l e d 芯片利用倒装结构，这样热量不必经由芯片的蓝宝石衬 底，而是直接传到热导率更高的硅或陶瓷衬底，再传到金属底座，由于其有源发 热区更接近于散热体，可降低内部热沉热阻，而且光可以通过蓝宝石发出，增大 发光效率。 其次，可以选用导热参数高的粘贴材料，基板材料，导热界面材料等，以降 低从外延层到封装基板、从封装基板到冷却装置散热过程中的接触热阻和导热热 阻。 再次，可以选择特殊的散热冷却装置或结构，可利用强制风冷，散热片设计， 微泵浦结构，热电器件散热【1 7 1 ，热管散热等方式1 8 】。其中，强制风冷通过加大 _ 敦热片表面风速来加大热对流的散热。微泵浦结构的大功率l e d 散热构造为在 封闭系统中，水在微泵浦的作用下进入l e d 的底板小槽吸热，然后又回到小的 水容器中，通过风扇散热。利用热电器件属于主动散热方式，这种散热方式比被 动散热方式要具有更强，更快的散热能力，但是限于成本较高，主动散热方式目 前还没有获得广泛的应用。利用热管技术能够产生热阻极低的管状导热途径来进 行散热。 由于降低l e d 结温对大功率l e d 的应用具有重大意义和影响，因此，这对 大功率l e d 的封装提出了较高的要求。由以上分析可知，l e d 器件的结温对发 出光的光通量，颜色以及有效寿命等都存在直接且很大的影响，使得对功率型 l e d 热特性研究就显得非常重要。因此，在本文中，对大功率l e d 热测试和热 仿真方面，做一些探索的分析，对功率型l e d 的热管理以及封装形式进行模拟， 优化和设计，以获得低成本的最佳封装，降低大功率l e d 芯片结温，取得较好 的优化效果。 第三章热传递有限元理论及a n s y s 第三章热传递有限元理论及a n s y s 3 1 有限元理论 有限元方法是广泛应用于解决应力分析，热传导，电磁学和流体力学等问题 近似解的数值方法。可用于计算各个分析过程中的稳态，瞬态，线性和非线性等 问题。二十世纪四十年代，c o u r a n t 发表了一篇使用多边形分段插值方法在三角 形子域上研究扭转问题的论文，c o u r a n t 被认为是有限元方法的奠基人。二十世 纪六十年代开始，c l o u 曲使人们开始广泛接受有限元理论。 3 1 1 有限元基本理论 在实际问题的分析过程中，大多数工程问题都可以抽象为相对应的数学模 型，用一组具有相应初始条件和边界条件的微分方程组来表达，这些相应的微分 方程组是根据该问题系统所对应的自然科学的基本规律和定律推出的。这些微分 方程组代表了基本规律和定律对系统的控制作用，体现出了质量，力量或者能量 的平衡。这些微分方程的解由反应系统自然行为的通解和反应系统受到的扰动的 特解两部分组成。 由于微分方程的复杂性和边界条件、初始条件的不确定性，使得很难得到它 的精确解。因此，需要在计算过程中利用数值方法求得问题的近似解。由于数值 解不同于解析解在任何点上都是精确的特点，其解只是在特定的离散的点上才近 似于解析解，因此，利用任何数值解法进行求解时，首先要进行离散化，把要求 解的对象按需要分成许多小的单元( 区域) 和节点，节点用于单元之间的连接。 数值解法一般分为有限差分法和有限元方法两类。有限差分法是根据每一个 节点建立微分方程，然后利用差分方程代替偏微分方程，得到一组联立的线性方 程组，求解方程组以获得系统属性。有限差分法比较容易理解，但是对于带有复 杂几何条件和边界条件的问题较难解决；相比于微分方法，有限元方法使用积分 方法建立系统的代数方程组，利用一个连续的函数近似表达每一个单元的解，然 后通过把每个单解联立或组装起来，用以表达内部单元边界连续的整个问题，从 而获得问题的解。 由于有限元方法根据各个单元建立函数，然后通过组合获得系统方程组，所 以单元划分越细，所得到的单元越多，得到的结果也相对准确。有限元方法分析 第三章热传递有限元理论及a n s y s 物理问题是利用数学建模方法进行模拟，利用有限数量的参数( 单元和节点) 来 描述连续无限的真实的物理问题。单元本身可划分为不同形状，在互相连接时具 有可操作性，因此，有限元方法可以近似准确地模拟各种复杂形状和条件的实际 问题。 在有限元方法经过半个多世纪的发展，已广泛应用于应力，热传导，电磁学 和流体力学以及各种相关耦合分析的工程领域，对理论应用和实践设计具有极其 重要的作用。 3 1 2 有限元分析步骤 有限元分析的基本步骤一般分为前处理，求解，后处理三个阶段，每个阶段 进行相应的操作和计算，最终获得准确的计算结果【2 3 】。 前处理阶段包括： ( 1 ) 建立模型，获得求解域，并将求解域离散化为有限个单元，单元之间用 节点连接，即将需求解的问题分解成节点和单元。 ( 2 ) 设定描述单元物理属性的形函数，即利用一个近似的连续函数来描述每 个单元的解。 ( 3 ) 建立单元的刚度方程，表示成矩阵形式。 ( 4 ) 组装单元刚度矩阵，构造总刚度矩阵。系统特性在刚度矩阵、传导矩阵 或阻力矩阵中体现出来。 ( 5 ) 对求解域应用初始条件和边界条件，并施加载荷。扰动参数在载荷矩阵 中体现出来。 。 求解阶段包括： ( 6 ) 求解线性或者非线性