大功率LED球泡灯封装热模拟研究进展

《大功率LED球泡灯封装热模拟研究进展》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、大功率LED球泡灯封装热模拟研究进展引言：环境保护及能源问题已经成为影响人类社会发展的全球性问题，发展半导体照明对节能、环保和建设节约型社会都有重要的战略意义，正逐渐成为人们的共识。在世界的电力使用结构中，照明用电约占总用电量的19%，照明耗能是世界能源耗能重要组成部分。国际能源署（IEA）2006年的研究报告指出，如果不采取积极措施，全球2030年的照明能源消耗将比现在高出80%。另一方面，中国作为13亿的人口大国，电力能源相对来说比较贫乏，并且随着经济发展，人民生活水平的提高，照明用电在电力消费中占的比例逐年提高。早在上世纪九十年代，我国照明用电的年增长已在15%以

2、上，但在我国照明用电的结构中传统灯具仍占极大比例。LED由于以下优点成为21世纪新的照明能源，将取代白炽灯：理论上更高的发光效率，可达到300lm/W，寿命长，结构牢固，冷光源，环保，淘汰器件小，反应时间快，亮度可调，颜色可变。目前LED灯最大的制约问题是散热。由于其发光效率仅能达到10%～20%，80%～90%的能量转化成了热能。随着LED产品功率密度和封装密度的提高，这将会引起芯片内部热量聚集，导致发光波长漂移、出光效率下降、荧光粉加速老化以及使用寿命缩短等一系列问题。这样，在推广照明用高功率密度高亮度LED产品时必需选择有效的散热解决方案。为减小LED芯片的结温，

3、当前主要从三方面设法提高产品的热散失能力：1通过提高工艺和采用新材料来提高LED芯片的发光效率，降低其热功率；2积极寻找新的封装方法和材料，将LED芯片产生的热量更有效地导出；3采用高效的外部散热方式，迅速将热量从LED基板导到环境中。一提高LED芯片的发光效率由于LED芯片的转化效率不高，只有百分之十的能量转化为光能，大约80%的能量都转化为热能。1W的芯片的热功率就约有0.8W，故如果能够改善芯片结构，提高转化效率，降低芯片热功率，能够从根本上解决LED散热问题。以市场上最常见的1W灯珠为例，点亮后不加任何散热装置，采用ANSYS软件进行模拟分析，可以得到芯片内部结

4、温的变化情况。图1LED结温与功率效率的关系可以看到随着LED芯片功率效率的提升，LED的芯片结温成线性下降。二新材料及封装方法2.1LED热阻模型典型的高功率LED芯片的装配结构如图2所示。LED芯片通过焊接(或硅脂)固定在基板上，基板一般包括了电路层，密封层，绝缘层等。基座再与散热系统相连。热量传递过程如图2所示，通过热传导的方式从芯片经过焊料层传至基板。到达基板后的热量再通过被动或主动散热方式传到环境中。图2热阻模型图在输入功率和环境温度不变的情况下，要降低结温，必须尽可能地减少各环节的热阻，即在对LED芯片封装的时候，应该在满足热力学的要求之下尽可能减小封装热阻

5、，在进行外部冷却的时候，也要合理选择相似装置以减少热阻。根据热阻计算公式应该在满足热力学的条件下尽可能地减少各传热层的厚度，增大各传热层的面积，并使用热导率高的材料。2.2衬底材料衬底材料是LED技术发展的基石，不同的衬底材料需要不同的外延生长技术、芯片加工技术和器件封装技术。衬底材料决定了LED技术的发展路线，同时也将影响LED的散热性能。当前商用的GaN基LED的芯片衬底材料主要有蓝宝石(Sapphire)、SiC和Si，此外，还有GaAs、AlN、ZnO等，通常根据设计的需要选择使用。清华大学的于新刚等以GaN基LED芯片为研究对象，对芯片衬底选用不同材料时的LE

6、D最高温度进行了数值模拟，下图所示。结果显示当衬底的热导率较小时，随着热导率的增大，芯片的最高温度迅速降低，当超过150后，下降越来越平缓，认为少数厂家采用的高导热率SiC基板与导热系数为100~200的材料相比，对散热的强化作用不大，而且价格昂贵，如果能解决Si与GaN材料晶格匹配的问题，综合考虑散热和成本的因素，采用热导率为150左右的Si衬底是一个比较好的选择。图3芯片温度随衬底材料导热率的变化曲线Chi等对由GaN有源层和Sapphire衬底、SiC衬底和Cu衬底组成的3种芯片的LED温度场模拟的结果显示具有最高热导率的Cu芯片衬底的LED结温最低，而热导率最差

7、的Sapphire芯片衬底的LED结温最高，如下图所示。当输入功率为1W时，由于芯片产生的热量较少，采用Cu衬底与Sapphire衬底的LED结温相差不大，但是当输入功率为5W时，采用Cu衬底的LED结温比采用Sapphire衬底的LED结温低10左右。图4不同功率下衬底材料对芯片结温的影响2.3透镜材料LED的透镜材料主要有硅胶、环氧树脂、PMMA，PC，光学玻璃等，这些材料的热导率普通较低。广东工业大学的王静等采用ANSYS模拟了采用不同热导率的透镜材料时LED的温度场，结果显示即使找到一种高达7的环氧树脂材料作为透镜材料，相比使用0