大功率LED封装有限元热分析

1、基金项目:河南省重点科技攻关资助项目(072102240027;河南理工大学博士基金资助项目(648602;河南理工大学研究生学位论文创新基金资助项目(644005大功率L ED 封装有限元热分析田大垒,关荣锋,王杏(河南理工大学材料科学与工程学院,河南焦作454003摘要:介绍了有限元软件在大功率LE D 封装热分析中的应用,对一种多层陶瓷金属(M LC MP 封装结构的LE D 进行了热模拟分析,比较了不同热沉材料的散热性能,模拟了输入功率以及强制空气冷却条件对芯片温度的影响。结果表明当达到热稳态平衡时,芯片上的温度最高,透镜顶部表面的温度最低,当输入功率达到3W 时,芯片温度超过了150

2、,强制空冷能显著改善器件的散热性能。关键词:大功率发光二极管;有限元;热分析;多层陶瓷金属封装中图分类号:T N31218;T N305194文献标识码:A 文章编号:10032353X (20080320248204Thermal Analysis of Finite E lement for H igh 2Pow erL ED P ackagingT ian Dalei ,G uan R ong feng ,Wang X ing(Institute o f Materials Science and Engineering o f Henan Polytechnic Univer sity

3、 ,Jiaozuo 454003,China Abstract :Finite element s oftware applied for thermal analysis of LE D packaging was presented ,a LE D packaging structure based on LT CC was simulated ,heat dissipation of different heat 2sink materials were com pared ,and the influences of power input and forced air 2coolin

4、g conditions on the tem perature of the chip were simulated.The results show that the highest tem perature point is on the chip and the lowest tem perature point is on the top surface of the lens when at thermal equilibrium ,the tem perature of the chip exceeds 150when the power input is 3W ,the hea

5、t dissipation performance is im proved notably on forced air 2cooling conditions.K ey w ords :high 2power LE D ;finite element ;thermal analysis ;M LC MP EEACC :4260D0引言固态照明器件的发光效率和可靠性依赖于成功的热管理。对于一个40lm/W 的白光LE D 来说,只有15%的能量转化为可见光,其余的全部转化为热。热流增加的原因包括芯片外延技术的进步,新的封装设计以及更高的驱动电流1。温升效应对LE D 性能产生严重的影响,总体效

6、率变低,正向压降,光波红移,色温改变,寿命缩短,可靠性降低。因此散热、热应力和成本成为影响LE D 性能、光转化效率和应用的主要封装问题2。低温共烧陶瓷(LT CC 是一种以低温(850900迭压共烧多层陶瓷薄膜的方式制作复合模块所需基板的技术。多层陶瓷金属封装(M LC MP 技术是一种基于金属基多层低温烧结陶瓷(LT CC M 的大功率LE D 封装技术,其特点是利用大面积的金属芯导热,金属芯位于芯片的正下方,可在陶瓷烧结时加入预先打好的孔中,陶瓷与金属的界面匹配度良好,可以迅速将热量导走。利用这一技术,在热处理方面与传统封装方法相比有大幅封装、测试与设备Package ,T est an

7、d Equipment度的改善,热导系数高达170W/m K,工作温度可达2503。本文利用有限元分析软件对M LC MP 做热分析,并对比了不同的材料做热沉时对其散热性能的影响,提高了器件设计的可靠性。1几何模型多层陶瓷金属封装的结构如图1所示。LE D 芯片用焊料焊接在金属热沉上,芯片电极通过金线引出,反射杯内部用硅胶封装,其具体生产过程为:将陶瓷迭片冲孔,在孔中加金属热沉,烧结 ,安装反射杯,固晶,金丝焊接,灌胶封装。图1多层陶瓷金属封装结构Fig 11S tructure of M LC MP2有限元模型在进行热分析前,首先要建立实体模型。图2为建立的三维LE D 封装几何模型,为了提

8、高计算速度,只需取其结构的1/4来分析,就能得到整体的分析结果。整个器件采用自由网格划分,模型网格划分如图3所示。各部分的结构尺寸为:LT CC M 20mm ×5mm ,金属热沉6mm ×5mm ,焊料层1mm ×1mm ×011mm ,芯片1mm ×1mm ×0125mm ,透镜半径312mm 。图2LE D 封装有限元模型Fig 12Finite element m odel of LE D packaging图3模型网格划分图Fig 13Finite element mesh of the m odel分析时不考虑涂覆在芯片表

9、面的荧光粉,并作如下假设:LE D 芯片是平面均匀热源;环境温度和LE D 的初始温度为25;忽略热幅射效应;芯片产生的热功率为1W ,与外界的热对流系数为20W/m 2K;器件的外表面与周围空气进行对流换热,其对流换热系数h 为常数,周围空气的温度t f 为常数,该边界满足的条件为-(5t 5n w=h (t w -t f (1式中:(5t 5n w为边界处的温度梯度;为导热系数;h 为LE D 表面与空气间的对流换热系数;t w 表示边界处的温度;t f 为空气的温度。当系统的温度场不随时间变化,即流入系统的热量加上系统自身产生的热量等于流出系统的热量,系统处于热稳态。在热稳态分析中任一节

10、点的温度不随时间变化。稳态热分析的能量平衡方程为(以矩阵形式表示KT=Q(2式中:K 为传导矩阵,包含热导率、对流系数、辐射率和形状系数;T 为节点温度向量;Q 为节点热流率向量,包含热生成。软件利用模型几何参数、材料热性能参数以及所施加的边界条件,生成K、T、Q。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,并导出其他热物理参数。模拟中各材料的属性见表1。表1LE D 模型中材料的参数T ab 11Material parameters of LE D model 材料热传导率/(W m -1K -1LTCC 2M 170Ag 热沉411焊料36芯片350透镜012LE D 热分

11、析中的热传递主要包括两个方面:芯片产生的热量通过焊料、热沉传导到外表面;外表面再通过各种热对流的方式将热量散失。热阻是衡量器件散热性能的重要指标,它由温差与耗散功率的比率决定,即R =T /P ,要想得到热阻,首先必须知道温度分布,低热阻的封装结构设计是提高器件可靠性的关键。田大垒等:大功率LE D 封装有限元热分析3模拟结果及分析由芯片尺寸及功率可知,施加在芯片上的生热载荷为4×109W/m 2,通过数值有限元计算可以得到温度场分布。模型稳态温度场分布如图4所示,可以看出,芯片产生的热量通过下面的焊料以及热沉传递到外面,由于热沉的热传导率远远高于透镜,大部分热量经由热沉传导,只有少

12、部分热量通过透镜传递。其中芯片的温度最高,几乎达到72,而最低温度出现在透镜顶部,为571415,器件整体散热性能良好,从芯片结区到金属热沉的热阻约为312/W 与同类封装结构相比热阻较低。 图4LE D 模型温度场分布(银热沉Fig 14The tem perature field distribution of LE D m odel (Ag asheat 2sink 采用银热沉,导热性能固然优良,但金属Ag 价格昂贵,不适于大批量生产,因此采用Cu 、Al 以及AlSiC 作为热沉,分别做了模拟,图5为模型温度场分布。从模拟的结果可以看出,由于这三种热沉的热导率较Ag 小,芯片产生的热量

13、重新分配,芯片与透镜的温度都略有升高。表2给出了采用不同的热沉材料对模型温度分布的影响。随着热沉材料热传导率的减小,芯片温度逐渐升高,而透镜温度变化不大,说明热沉为器件散热的主要通道。采用Al 热沉时,透镜顶部表面温度达到5714,而芯片的温度将近达到73,这说明与Ag 热沉相比,Al 热沉就能满足器件的散热要求。AlSiC 复合材料具有热导率高、热膨胀系数可调的优点而广泛用于电子封装,如果采用AlSiC 作为热沉,可有效避免热应力问题的产生4。采用Ag 、Cu 热沉热阻较小,采用AlSiC 热沉热阻最大,所以在选用热沉材料时应综合考虑各方面的因素 。( a Cu 热沉(b Al 热沉(c A

14、lS iC 热沉图5LE D 模型温度场分布Fig 15The tem perature field distribution of LE D m odel表2热沉材料对模型温度分布的影响T ab 12E ffect o f heat 2sink materials on the temperature o f the model 热沉材料热传导率/(W m -1K -1芯片温度/透镜温度/热阻/160731580571482514田大垒等:大功率LE D 封装有限元热分析随着芯片技术的不断进步,功率型芯片朝着大功率方向发展,如倒装芯片、垂直芯片以及光子晶体等527。本文模拟了输入功率对芯片温

15、度的影响,结果如图6所示。在其他条件不变的情况下,功耗与芯片的温度成近似正比关系,随着功耗的增大,芯片温度逐步升高,当输入功率达到3W 时,芯片温度超过150,这已经超出了芯片允许的最大结温(120,将导致芯片的失效,因此不能只追求芯片功率的增大,应该进一步优化封装结构,采用小功率芯片阵列来获得更高的发光强度 。图6输入功率对芯片温度的影响Fig 16E ffect of power input on the tem perature of the chip对于实际应用,可以采用强制冷却的办法来改善器件的散热性能。对器件施加不同的空气对流系数模拟强制冷却条件下芯片的温度状况,结果如图7所示。随

16、着对流换热系数的增加,芯片温度明显降低,强制冷却加速了热传导,将芯片产生的热量快速导出, 也可以采用液冷进一步改善散热性能。图7空气对流换热系数对芯片温度的影响Fig 17E ffect of convection coefficient on the tem perature of thechip4结论利用有限元分析软件对一种低温共烧陶瓷封装结构的LE D 进行了热模拟分析,结果表明,采用LT CC 结构能显著提高器件的散热性能,采用Ag 热沉散热效果最好,但从成本考虑,采用Al 热沉就能满足器件对散热的要求;功耗对芯片温度有重要影响,随着输入功率的增大,芯片结温显著升高,当功耗为3W 时,

17、将导致器件热击穿而失效;强制冷却能有效改善器件的散热性能,当对流换热系数为40W/m 2K 时,芯片结温只有50。参考文献:1ARIK M ,WE AVER S.Chip scale thermal management of highbrightness LE D packages CF ourth Int C on f on S olid S tate Lighting.S ociety of Photo 2Optical Instrumentation Engineers.Denver C O ,US A ,2004:2142223.2H AQUE S ,ST AIGERW A LD D

18、 ,RUDAZ S ,et al.Packagingchallenges of high 2power LE Ds for s olid state lighting CInt Sym p on M icroelectronics.S ociety for Optical Engineering.Boston M A ,US A ,2003:8812886.3PARKJ K,SHI N H D ,PARK Y S ,et al.A suggestion for highpower LE D package based on LT CC CIEEE 56th E lectronic C om ponents and T echnology C on f.San Dieg o ,California US A ,2006:107021075.4RAO B S ,HE M AM BAR C ,PATH AK A V ,et al.Al/S iCcarriers for microwave integrated circuits by a new technique of pressurel