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利用Flotherm 对大功率LED 封装的热分析

发布者:admin   发布时间: 2011-12-19 浏览次数:

摘要:对某一大功率发光二极管(LED) 器件的封装结构进行等效热阻网络分析,并利用Flotherm 软件对该LED进行热分析,比较了采用纯银、纯铜、纯铝等不同材料作为热沉对LED 器件的散热性能的影响,结果表明采用纯银热沉散热效果最好。

热分析是广泛应用于各个领域的一种分析工具,能够在样品和产品开始之前确定和消除热问题。借助热分析可以减少设计成本, 提高产品的一次成功率,改善电子产品的性能和可靠性,减少设计、生产、再设计和再生产的费用,缩短高性能电子设备的研制周期。热分析软件能够比较真实地模拟系统的热状况。应用热分析软件,在设计过程中就能预测到器件的工作温度值,这样可以纠正不合理的布排,取得良好的布局, 从而可以缩短设计的研制周期。其次,经过若干次的改进设计,设计工程师可以对电子设备进行有效的热控制, 使它在规定的温度极限内工作,从而可以提高电子设备的可靠性。目前比较成熟的商品化功率型发光二极管(LED)输入功率一般为1 W,芯片面积1 mm×1 mm,其热流密度达到了100 W/cm2。随着芯片技术的日益成熟,单个LED 芯片的输入功率可以进一步提高到5 W 甚至更高,因此防止LED 的热量累积变得越来越重要[1]。如果不能有效地耗散这些热量,随之而来的热效应将会对LED 性能产生严重的影响:总体效率变低,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LED性能、光转化效率和应用的主要封装问题[2]。

在封装过程中,对LED 芯片、封装树脂、金线、透镜以及芯片热沉等各环节的散热问题都必须很好地重视。大多数塑料和环氧树脂暴露在紫外线辐射下都会变黄老化, 这种老化随着封装结构温度的增加会越来越严重,而且不可逆转。为了最大限度地减少LED 封装树脂的老化效应,封装中多余热量应避免从取光路径散出,为此通过设计低热阻LED 封装结构将其芯片产生的大部分热量通过芯片底部热沉消散到外界环境中去。其突破点就是芯片热沉的结构、尺寸和材料。

本文主要针对某一1 W 单芯片功率型LED 的封装结构建立热学模型,分析了其等效热阻网络;利用Flotherm 软件对该单电极结构的大功率LED 器件做热分析,着重分析该芯片热沉结构的散热性能,比较芯片热沉所采用的材料对整个LED 器件封装结构散热性能的影响,提高了器件设计的可靠性。

1 大功率LED 器件建模

以某汽车车灯为分析对象, 该车灯采用的是单电极结构的高功率LED, 芯片是在半透明SiC 衬底上直接生长AlGaN 有源层。实际高功率LED 器件的具体结构如图1 所示[3]:LED 芯片用固晶胶粘接在表面绝缘的芯片热沉上, 芯片电极通过金线与引线框架连接,芯片外部用硅橡胶或者其他热稳定性、绝缘性以及光学透明的树脂材料封装, 热沉四周用塑料材料封装;整个LED 器件焊接在散热基板上;最后再焊接在散热器上。

LED 芯片结的耗散功率为PD, 通过芯片热沉、封装树脂和金线引线框架电极的热传导以及与外界环境的对流、辐射作用,散发到外界环境中,其中芯片热沉的传导散热起着决定性作用。这里“结”是指半导体芯片内部的“p-n” 结,是芯片产生光子的区域。

由于硅橡胶/环氧树脂、荧光粉,以及塑料外壳封装的低热导率,为简化分析,忽略LED 热量传导的前向传输通道, 只考虑热量从芯片到芯片热沉底部传导的路径(后向传输通道)得到一般LED 照明系统的简化等效热阻网络,如图2 所示[4]。

由图2 知,可以把LED 照明系统总热阻进一步分解为从芯片结区到外界环境的传热通道上的两个层次:器件级内部热阻和系统级外部热阻。以下重点分析器件级内部热阻, 包括从芯片到芯片热沉底部之间的热阻,其大小一般由封装结构比如几何形状、所用材料以及芯片大小决定, 这部分可以通过优化达到最佳效果。

LED 封装最关心的是芯片的结温Tj, 由热阻的计算公式Rja=(Tj-Ta)/PD可以得到结温的表达式:Tj=PD×Rja+Ta, 即热阻越小, 在同样大小Ta和耗散功率PD下,芯片结温升温越小;或者说在达到同样结温的条件下,能够消耗的功率更大,LED 器件性能也就越好[5]。

为了从根本上解决热量耗散的问题, 关键在于得到器件内部温度场的分布,以指导器件的热设计,使结区的热量有效通过芯片热沉耗散出去, 这样就可以减少LED 系统的体积, 避免用外部冷却系统,从而节约LED 系统成本。

2 Flotherm 热分析

进行Flotherm 热分析前,首先要建立实体模型。图3 为建立的三维LED 的封装几何模型,整个器件采用自由网格划分,模型网格划分如图4 所示。分析时,不考虑涂覆在芯片表面的荧光粉,对LED 器件结构进行简化处理。假定一个恒定的1 W的热源加载在芯片底面上即有源层生长的地方,LED 芯片是平面均匀热源,芯片的尺寸设为1 mm×1mm,厚度为0.145 mm。对流模式为空气自然对流。热沉底面直径为5 mm, 散热基板的尺寸为10 mm×20mm。周围环境温度假设为30 ℃,计算域为80 mm×
80 mm×55 mm,且通过自然对流、传导和辐射进行散热。为了简化模型,不考虑封装过程各层之间的附加接触热阻。表1 为单芯片LED 封装所使用的材料及其热导率大小。

使用Flotherm 软件计算分析得到的结果如图5、图6、图7 所示。通过计算分析得到了LED 的稳态温度场分布[6],虽然这并不一定是LED 器件内部的实际温度,但是能大概得到其相对的分布情况。从图5、图6 和图7 的温度场分布可以看出,芯片产生的热量主要通过下面的焊料以及热沉传递到外面,其中芯片的温度最高。用纯银、纯铜和纯铝作为LED芯片热沉, 其结区的最高温度分别约为59.5 ℃、59.5 ℃和61.1 ℃, 其芯片热沉底面的温度均为56.2℃,1 W 的LED 耗散功率为0.85 W, 从结区到芯片热沉底面的热阻分别约为(59.5-56.2)/0.85=3.9 ℃/W、(59.5-56.2)/0.85=3.9℃/W 和(61.1-56.2)/0.85=5.8℃/W,具有低热阻散热结构。事实上,在芯片热沉和焊料层之间依次还有很薄的绝缘层和金属层, 因此从结区到芯片热沉底面的热阻会比模拟计算的大些。从图5、图6、图7 中可以发现,芯片结区温度都没有超过120 ℃, 即未超出半导体芯片所能承受的最高工作温度,这样的LED 器件能长时间、可靠稳定地工作,器件整体散热性能良好。

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, 说明热沉为LED 器件散热的主要通道。在这些热沉材料中,纯银的导热系数最大,其散热性能最好,LED 器件级内部热阻最小,结温最低;纯铝的导热系数最小,其散热性能最差,LED 器件级内部热阻最大,结温最高。因此,使用导热系数越大的材料作为LED 器件的热沉, 散热性能越好,LED 器件级内部热阻越小,结温越低,但在实际应用中在选用热沉材料时应综合考虑各方面的因素。

3 结论

对于大功率LED 器件,随着输入功率的进一步提高,更多的热量需要从芯片结区有效地消散掉,因此其热管理问题是LED 器件封装和器件应用设计要解决的核心问题。

根据某种实际LED 建立了基于热传导/热对流的封装结构模型, 利用Flotherm 热分析软件对该模型进行了热模拟分析,比较了采用纯银、纯铜和纯铝等不同热沉材料对单个LED 芯片封装器件的影响,证实这3 种热沉材料都可以实现低热阻封装, 能提高器件的散热性能,采用纯银热沉散热效果最好,但成本较高。

 

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