功率型LED瞬態(tài)溫度場及熱應(yīng)力分布的研究.

1、功率型LED瞬態(tài)溫度場及熱應(yīng)力分布的研究0 引言LED 因具有無污染、高效率、壽命長、體積小等優(yōu)點(diǎn)，成為最有前途的照 明光源。隨著功率型 LED 在照明領(lǐng)域應(yīng)用的不斷發(fā)展，對 LED 小型化、高功率 化的要求越來越迫切，低熱阻、散熱良好及低應(yīng)力的封裝結(jié)構(gòu)是功率型LED 器件的技術(shù)關(guān)鍵?，F(xiàn)有研究結(jié)果表明，鍵合材料對 LED 封裝熱阻影響最大，提高 功率型 LED 散熱能力的關(guān)鍵是減小鍵合層的熱阻。鍵合材料導(dǎo)熱系數(shù)較低，固 化后材料間的接觸熱阻很高，導(dǎo)致溫度梯度大，將產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力；另外，鍵合材料與芯片、熱沉間的熱膨脹系數(shù)（CTE 差異較大，當(dāng)膨脹受到外部約束 時(shí)也會產(chǎn)生較大熱應(yīng)力。封裝過程產(chǎn)生

2、的熱應(yīng)力不僅影響 LED 器件的物理穩(wěn)定 性，還會使封裝硅膠透鏡的折射率發(fā)生改變，從而對 LED 的出光效率和光場分 布造成影響。熱應(yīng)力大小已成為 *價(jià)功率型 LED 可靠性的主要指標(biāo)之一。目前，國內(nèi)外已經(jīng)對 LED 熱應(yīng)力分布做了相關(guān)研究。 2006 年， Jianzhen Hu等人對 Ga-N 基 LED 熱應(yīng)力分布進(jìn)行了有限元模擬仿真，結(jié)果表明 LED 封 裝的最大熱應(yīng)力集中在芯片和鍵合層接觸地方的邊緣處； 2007 年，于新剛等人 分析了基板材料導(dǎo)熱系數(shù)對 LED 結(jié)溫和最大熱應(yīng)力的影響； 2008 年，戴煒峰 等人利用有限元模擬了大功率 LED 的瞬態(tài)溫度場和應(yīng)力場的變化情況。但上述

3、 研究中都將 LED 溫度場和應(yīng)力場分別進(jìn)行了模擬分析，而沒有分析溫度場對應(yīng) 力場的對應(yīng)變化關(guān)系，也未分析應(yīng)力與應(yīng)變的變化趨勢，而且從公開的文獻(xiàn)來 看，并未發(fā)現(xiàn)任何有關(guān)研究鍵合層材料這個關(guān)鍵因素對 LED 應(yīng)力場分布的影 響。論文以熱應(yīng)力理論為依據(jù)，模擬了 LED 瞬態(tài)溫度場和應(yīng)力場分布的變化， 并與實(shí)測的 LED 基板底部中心溫度變化情況進(jìn)行了對比研究；并分析了瞬態(tài)溫 度場和應(yīng)力場的對應(yīng)變化關(guān)系；模擬研究了鍵合層材料導(dǎo)熱系數(shù)對LED 結(jié)溫和最大等效應(yīng)力的影響；計(jì)算了基板頂面平行于 X 軸路徑上熱應(yīng)力、應(yīng)變及剪應(yīng) 力的變化趨勢，論文的研究對 LED 的封裝熱設(shè)計(jì)具有意義。1 熱應(yīng)力理論模型及物

4、理模型根據(jù)傳熱理論，具有內(nèi)熱源的大功率 LED 瞬態(tài)溫度場分布應(yīng)該滿足如下方 程：其中：T 為溫度；t 為時(shí)間；x, y, z 空間三維坐標(biāo)系；a為熱膨脹系 數(shù)，a滿足方程：其中：入為導(dǎo)熱系數(shù)，p為密度，C 為比熱容。按照熱彈性力學(xué)理論， LED 溫度梯度導(dǎo)致的熱膨脹受到外部約束時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)熱應(yīng)力，滿足如下方 程：式中：（7 為熱應(yīng)力，a為熱膨脹系數(shù)，E 為彈性模量，T 為溫度，Tref 為參考溫度。由式（ 3）可以看出， LED 內(nèi)部溫度場是確定熱應(yīng)力大小的前提， 而溫度分布由熱傳導(dǎo)微分方程（ 1）決定，只要給出相應(yīng)的邊界條件即可得到溫 度場及應(yīng)力場分布。以 Lumileds 的 1 W 功

5、率型 LED 器件（如圖 1）為研究對象，該 LED 由透 鏡、芯片、鍵合層、熱沉、基板及塑封料組成。熱量由芯片經(jīng)鍵合層傳導(dǎo)到熱 沉，最后由基板與空氣進(jìn)行對流散熱。 LED 各種封裝材料熱性能參數(shù)如表 1 所 示。圖 1 Lumidleds 1 W LED 模型表 1 LED 封裝材料的熱力學(xué)參數(shù)2 實(shí)驗(yàn)、仿真結(jié)果與分析采用自由網(wǎng)格建立 LED 有限元模型，熱源和鍵合層采用一級網(wǎng)格，其余采 用六級網(wǎng)格。芯片輸入熱功率按 90%+算為 0.9 W，環(huán)境溫度為 25C，生熱率 4.0X109W/m3 在 LED 模型與空氣接觸面加載對流系數(shù)為10 W/m2C，并忽略各層材料中的接觸熱阻，設(shè)定求解時(shí)

6、間為 600 s ，時(shí)間子步為 20 s ，利用有 限元軟件 ANSYS 求解式（1） （3）即可得到 Lumidleds 1 W LED 瞬態(tài)溫度場 分布。2.1 LED 瞬態(tài)溫度測試實(shí)驗(yàn)與仿真為了驗(yàn)證有限元仿真的可靠性，設(shè)+了一組實(shí)驗(yàn)對 Lumidleds 1 W LED 進(jìn) 行溫度測試，測點(diǎn)為鋁基板底面中心，給定電流350 mA 電壓 3 V，溫度測試時(shí)間為 10 min，每隔 10 s 記錄一次數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明點(diǎn)亮 8 min 后，LED 基本處于熱平衡狀態(tài)， 此時(shí)基板中心溫度為 56C。 仿真結(jié)果表明此時(shí) LED 結(jié)溫 為 76.1C （如圖 2 所示）。LED 從開始工作到穩(wěn)態(tài)過

7、程中，基板測點(diǎn)溫度變化曲線和仿真結(jié)果如圖 3 所示，升溫過程中，實(shí)測結(jié)果略低于仿真結(jié)果，到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，兩則相差 2.9C,驗(yàn)證了有限元分析的可靠性。材料參數(shù)的誤差、仿真過程中忽略了熱輻 射以及將對流作為簡單邊界條件施加是產(chǎn)生誤差的主要原因。圖 2 Lumileds 1 W LED 穩(wěn)態(tài)溫度場分布云圖圖 3 Lumileds 1W LED 基板中心點(diǎn)溫度實(shí)測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比2.2 LED 熱應(yīng)力與熱變形的模擬結(jié)果與分析在+算得到瞬態(tài)溫度場分布后，將熱單元 solid70 轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)單元，用循 環(huán)命令將每一個時(shí)間步的溫度場讀入到應(yīng)力場，并在基板底面三個方向加約 束，+算得到穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)變和應(yīng)力場如圖

8、4（ a）、（ b）。圖 4( a)是 Lumileds 1 W LED 在最終時(shí)刻(600 s )后總位移云圖，內(nèi)部 帶網(wǎng)格云圖表示未變形前的結(jié)構(gòu)，另一個實(shí)體云圖表示 LED 在受熱膨脹后的變 形效果，這里對變形量按比例進(jìn)行了放大。由圖可見，熱變形主要集中在透鏡 和塑圭寸料處，特別是透鏡與塑圭寸料接觸地方，最大變形量達(dá)到6.3 卩 m。由于基板底部加了 X、Y、Z 三個方向約束，相當(dāng)于基板底部被固定，因此基板底部 位移量為 0 卩 m。圖 4 (b)是 LED 在穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)力分布云圖。由圖可見，透鏡、外封塑料層和 基板頂部的熱應(yīng)力很小，基板底部應(yīng)力明顯大于頂部。這是由于基板底部熱膨 脹受到 X

9、、丫、Z 三個方向的約束所致。圖 5 (a)為基板底部的應(yīng)力分布圖，最 大在基板底面的邊角處，為 163 MPa；圖 5 (b)顯示基板頂部最大的熱應(yīng)力在 熱沉與基板交界處，基板頂部邊角處只有 1.43 MPa。圖 4 Lumileds 1 W LED 的熱變形云圖(a)和等效應(yīng)力云圖(b)圖 6 (a)是鍵合層等效應(yīng)力分布云圖。由圖可見，最大熱應(yīng)力在鍵合層邊 角處為269 MPa,鍵合層最小應(yīng)力也達(dá)到 94.6 MPa。這是由于鍵合層導(dǎo)熱系數(shù) 較小，熱阻較大，熱量在此處積聚較多，導(dǎo)致在鍵合層邊角處熱應(yīng)力成為整個 圭寸裝器件最集中部分。圖 6 (b)是芯片等效熱應(yīng)力分布云圖，芯片最大應(yīng)力在 四

10、個邊角處為 34.1 MPa，如此高的應(yīng)力易引起芯片破裂，要特別注意。圖 5 LED 基板底部(a)和頂部(b)的熱應(yīng)力分布圖圖 6 Lumileds 1 W LED 鍵合層(a)和芯片(b)的等效熱應(yīng)力分布芯片頂面中心節(jié)點(diǎn)的位移隨時(shí)間變化曲線如圖 7 所示， X 和 Z 方向位移近 似為零，丫方向的位移隨著時(shí)間和溫度場的變化而不斷變化(丫向?yàn)槠骷v向 即溫度傳遞方向)，在光源點(diǎn)亮 500 s 左右后，溫度場進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)芯 片應(yīng)變量達(dá)到最大 6.3 卩 m 與瞬態(tài)溫度場的變化相符。圖 7 Lumileds 1 W LED 芯片中心節(jié)點(diǎn)位移隨著時(shí)間變化曲線2.3 基板路徑上的熱應(yīng)力、應(yīng)變及

11、剪應(yīng)力的模擬與分析在基板頂部平行于 X 軸方向上選取如圖 8 所示的一條軸向路徑，考察路徑 上的應(yīng)變、應(yīng)力及剪應(yīng)力的變化情況。圖 8 基板頂面上的路徑示意圖圖 9 (a)表示的是路徑上 X、丫、Z 三個方向的位移變化曲線。由圖可知， 路徑上 UZ 幾乎趨于零，丫方向上，兩端形變較小，中間偏大，這與溫度場分 布相符合；UX 兩端位移較大，往中間逐漸減小，且兩端關(guān)于中心對稱，這與基 板的形狀與約束條件有關(guān)。圖 9 (b)為路徑上應(yīng)力變化曲線，SX 與 SZ 方向的 應(yīng)力變化趨勢相同，保持較高的應(yīng)力水平，而 SY 一直保持較低應(yīng)力水平。 X、Y、Z 三個方向顯示應(yīng)力值都是兩邊大于中間，可以看出最大的

12、應(yīng)力出現(xiàn)在邊角 處。a）（b）圖 9 路徑上的位移（a）和應(yīng)力（b）變化曲線圖 10 顯示了路徑上剪應(yīng)力的變化情況， SYZ 與 SXZ 幾乎重合，且剪應(yīng)力 很小，變化平緩； SXY 變化非常劇烈，說明在 Y 方向上，即基板與熱沉之間有 較大的剪應(yīng)力，且由中間向兩端增大，表明剪應(yīng)力主要集中在邊角區(qū)域。這是 由于基板與熱沉為兩種不同的材料，材料之間的熱膨脹系數(shù)及彈性模量不同而 產(chǎn)生較大剪應(yīng)力。圖 10 路徑上剪應(yīng)力的變化曲線2.4 材料導(dǎo)熱系數(shù)對應(yīng)力，應(yīng)變和溫度的影響圖 11 表示 LED 結(jié)溫隨著器件各層材料導(dǎo)熱系數(shù)變化趨勢。由圖可知，LED 結(jié)溫隨著熱沉和鍵合層導(dǎo)熱系數(shù)的變化趨勢類似，當(dāng)入較

13、小時(shí)，隨著入增大，結(jié)溫迅速降低；當(dāng) 入較大時(shí)，隨著各種材料導(dǎo)熱系數(shù) 變化，結(jié)溫變化平緩。這是因?yàn)楫?dāng) 入較小時(shí)，各材料的熱阻較大，而當(dāng)入較大時(shí)，熱阻減小，熱量能順利傳出，此時(shí)導(dǎo)熱系數(shù)不再是影響整個系統(tǒng)傳熱效 果的主要因素。由于 LED 傳熱并不經(jīng)過透鏡，所以透鏡的導(dǎo)熱系數(shù)對 LED 的結(jié) 溫變化影響很小。圖 12 表示 LED 芯片最大等效熱應(yīng)力及最大應(yīng)變，隨著鍵合層導(dǎo)熱系數(shù)的 變化。芯片的應(yīng)變幾乎不變，與導(dǎo)熱系數(shù)無關(guān)；而芯片受到的熱應(yīng)力隨著導(dǎo)熱 系數(shù)增大迅速減小，但增大到一定值后，熱應(yīng)力變化趨于平緩，與鍵合層導(dǎo)熱 系數(shù)改變對溫度場的影響趨勢相吻合。這是由于整個傳熱過程中，鍵合層的導(dǎo) 熱系數(shù)最低

14、，芯片到熱沉熱阻較大，導(dǎo)致 LED 結(jié)溫較高，溫度梯度較大，使得 熱應(yīng)力比較集中，因此鍵合層的材料選取對改變 LED 結(jié)溫和熱應(yīng)力有至關(guān)重要 的作用。圖 11 LED 結(jié)溫隨各種材料導(dǎo)熱系數(shù)變化曲線圖 12 LED 芯片最大應(yīng)力及應(yīng)變隨著鍵合層導(dǎo)熱系數(shù)變化曲線3 結(jié)論通過對功率型 LED 器件的溫度場與應(yīng)力場的模擬計(jì)算表明： LED 芯片軸向 的應(yīng)變與溫度場的變化情況相符合，在 500 s 時(shí)趨于穩(wěn)定；最大變形在透鏡與 熱沉接觸地方，為 6.3 卩 m 最大熱應(yīng)力在鍵合層與芯片接觸的邊角處，為269MPa 芯片的最大應(yīng)力為 34.1 MPa。通過材料對 LED 結(jié)溫與應(yīng)變的分析，得到 LED 的結(jié)溫隨著鍵合層和熱沉的導(dǎo)熱系數(shù)增大先急劇減小，但增大到一定值 后，LED 結(jié)溫變化趨于平緩，而透鏡導(dǎo)熱系數(shù)對結(jié)溫幾乎沒有影響；LED 的最大等效應(yīng)力隨著鍵合層導(dǎo)熱系數(shù)的變化與溫度場變化情況完全相符合，對芯片 的應(yīng)變幾乎沒有任何影響。應(yīng)變與應(yīng)力主要集中在溫度梯度變化較大、受約束 的面以及容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的邊角區(qū)域，這些區(qū)域特別容易產(chǎn)生破壞，因此 LED 封裝時(shí)，必