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1、大功率氮化镣基白光LED模组的散热设计《半导体光电》2007年10月第28卷第5期F马洪霞等：大功率氯化落基白光LED模组的散热设计峰一土一一d,光电器件1一o二。一日大功率氮化镣基白光LED模组的散热设计L马洪霞1,钱可元1,韩彦军2,罗毅h2清华大学1.深圳研究生院半导体照明实验蛊。广东深圳s1«572・电子工程系集成光电子学国家重点实验室.北京100084）摘要：散热设计是大功率发光二极管（LED）模组结构设计的重要环节。首先利用计算流体力学方法对自然对流条件下大功率LED模组的温度场进行了模拟，提出并优化了模组可采用的散热片结构，进而对影响模组散热的
2、其他关键因素进行了分析，结果表明，提高关键封装材料如银胶的热导率能够有效地降低芯片温度，提高芯片温度均匀性；多芯片封装时芯片的整体温度及均匀性相对于单芯片封装皆有改善。优化后的封装结构在5w电功率注入条件下，芯片鲂温约60°CO关键词：散热；LED；GaN中国分类号：TN312文稼标识码：A文章编号：1001—58ooLEDMANSheb•帅IHANY吼嘲啦h岫5n岫伽opt■-JCHNMAHtedwasn!»｛雌,磷IIg1岫uIII哪jCHN)manaousandowerGaNbTempLEDusingtheanashoweasingthermalcon
3、ductivityoares,andtemperattotti——chieraformity•Th60°CundeKeywordthermalgn；LED；GaN1引言以氮化镣基蓝光发光二极管(LED)结合黄光荧光粉制作的白光LED被认为是潜在的寿命长、发光效率高、体积小的绿色光源，冇望进入通用照明领收稿日期：2007—01-17,基金项目：国家自然科学基金项目(60536020,60390074)；国家。973”计捌项且(2006CB302801,2006CB302804,2006cB302806)；国家“863”计划项冃(2006AA03A105)｝北京
4、市科委重大计捌资助项冃(D0404003040321).域，并占有一定的市场份额。但是随着输入电功率的增长，若封装模块的散热不良，则有源区的温度不断升高，对白光LED的性能产生不利影响，如蓝光LED的峰值波长红移o],偏离荧光粉的吸收峰，功率效率下降；荧光粉老化｝环氧树脂炭化变黄口3；过高温度加速器件的老化等。因此，散热问题成为半导体照明系统设计必须考虑的重要因素。迄今为止，报道的关于LED热分析的文献都是将空气自然对流过程近似为表面均匀的简单换热过程o“]，但集中在对倒装芯片焊点的均匀性分析上。但封装后?627?万方数据兰竺竺堕！鑒竺望！婴整竺皀兰竺！！塑
5、翌！！！！！：竺！！：！的LED模组，产牛热量最终需要通过散热片向空气散出，因此与空气自然对流过程密切相关，不是简单的表面均匀的换热过程，因此对于大功率LED模组的封装散热优化分析，有必要引入计算流体力学(computationa1fluiddynamics,cFD)的方法对模组的散热性能进行精确的模拟，以达到设计目标(目前公认的LED可承受的温度为120°C)o由于本文将着重讨论应用于普通照明的5wLED模组的散热问题，散热片作为模组的外围结构需要考虑安装电路、放置反射碗等同题，而一般的电子器件散热片由于外形结构限制都不能直接应用在LED模块上，因此需耍设
6、计适用于这些特殊耍求的散热片结构。本文用cFD方法模拟了自然对流条件下大功率LED模组的温度场，提出并优化了5wLED模组可采用的散热片结构。进而分析了影响LED模组散热特性的其他主要因素，并对单芯片封装与多芯片封装的散热特性进行了比较。2数学模型图1为LED模组的封装形式的结构示意图，由下至上依次为环氧树脂透镜、芯片，粘结用的银胶、铝基板和散热片。因为环氧树脂的热导率很差，所以芯片产牛的热量绝大部分经银胶、铝基板等传导到散热片上,然后通过散热片向大气散出。因此，模组的散热包括三部分：模组各固体部件之I'可的热传导，散热片与流体（空气）之问的耦合传热、大气的
7、自然对流散热。系统内传热和流体流动的控制方程如下：骂掣+蹩掣一od（1）dz“罢+。嚣=一去差+,（嘉+雾）cz,“磊十。丽2—i盖十'I瓦了11丽_Jq，V塞+。考一一去塞+,（喜+孝）+脚（T—To）（3）“團十。万一。I夏丁十五丁J十6“瑟+。等一n（罄+等）+s㈤式中，“、口、p,T分别为z,,方向速度分量、压力和温度｝卢、g、口、d、P、S分别为热膨胀系数，重力加速度、粘性系数、热扩散系数、密度和内热源项。因为复杂形状的三维问题很少能找到解析解，所以我们用cFD方法对模组的散热问题进行了数值模拟。实际应用中，由于注入电功率为5w,一部分电功率转化为
8、光功率,所以耗散热功率实际上小于5万方数据竺！：！！
