功率型LED瞬態(tài)溫度場(chǎng)及熱應力分布的研究

0 引 言

　　LED 因具有無(wú)污染、高效率、壽命長(cháng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)，成為最有前途的照明光源。隨著(zhù)功率型LED在照明領(lǐng)域應用的不斷發(fā)展，對LED 小型化、高功率化的要求越來(lái)越迫切，低熱阻、散熱良好及低應力的封裝結構是功率型LED 器件的技術(shù)關(guān)鍵?，F有研究結果表明，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。鍵合材料導熱系數較低，固化后材料間的接觸熱阻很高，導致溫度梯度大，將產(chǎn)生很大的熱應力；另外，鍵合材料與芯片、熱沉間的熱膨脹系數（CTE）差異較大，當膨脹受到外部約束時(shí)也會(huì )產(chǎn)生較大熱應力。封裝過(guò)程產(chǎn)生的熱應力不僅影響LED 器件的物理穩定性，還會(huì )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(chǎng)分布造成影響。熱應力大小已成為*價(jià)功率型LED 可靠性的主要指標之一。

　　目前，國內外已經(jīng)對LED 熱應力分布做了相關(guān)研究。2006 年，Jianzhen Hu 等人對Ga-N 基LED 熱應力分布進(jìn)行了有限元模擬仿真，結果表明LED 封裝的最大熱應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熱系數對LED 結溫和最大熱應力的影響；2008 年，戴煒?lè )宓热死糜邢拊M了大功率LED 的瞬態(tài)溫度場(chǎng)和應力場(chǎng)的變化情況。但上述研究中都將LED 溫度場(chǎng)和應力場(chǎng)分別進(jìn)行了模擬分析，而沒(méi)有分析溫度場(chǎng)對應力場(chǎng)的對應變化關(guān)系，也未分析應力與應變的變化趨勢，而且從公開(kāi)的文獻來(lái)看，并未發(fā)現任何有關(guān)研究鍵合層材料這個(gè)關(guān)鍵因素對LED 應力場(chǎng)分布的影響。

　　論文以熱應力理論為依據，模擬了LED 瞬態(tài)溫度場(chǎng)和應力場(chǎng)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(chǎng)和應力場(chǎng)的對應變化關(guān)系；模擬研究了鍵合層材料導熱系數對LED 結溫和最大等效應力的影響；計算了基板頂面平行于X 軸路徑上熱應力、應變及剪應力的變化趨勢，論文的研究對LED 的封裝熱設計具有意義。

　　1 熱應力理論模型及物理模型

　　根據傳熱理論，具有內熱源的大功率LED 瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布應該滿(mǎn)足如下方程：

　　其中：T 為溫度；t 為時(shí)間；x, y, z 空間三維坐標系；α 為熱膨脹系數，α 滿(mǎn)足方程：

　　其中：λ 為導熱系數，ρ 為密度，c 為比熱容。按照熱彈性力學(xué)理論，LED 溫度梯度導致的熱膨脹受到外部約束時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)熱應力，滿(mǎn)足如下方程：

　　式中：σ 為熱應力，α 為熱膨脹系數，E 為彈性模量，T 為溫度，Tref 為參考溫度。由式（3）可以看出，LED 內部溫度場(chǎng)是確定熱應力大小的前提，而溫度分布由熱傳導微分方程（1）決定，只要給出相應的邊界條件即可得到溫度場(chǎng)及應力場(chǎng)分布。

　　以L(fǎng)umileds 的1 W 功率型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

　　2 實(shí)驗、仿真結果與分析

　　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%計算為0.9 W，環(huán)境溫度為25℃，生熱率4.0×109 W/m3，在LED 模型與空氣接觸面加載對流系數為10 W/m2.℃，并忽略各層材料中的接觸熱阻，設定求解時(shí)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(chǎng)分布。

　　2.1 LED 瞬態(tài)溫度測試實(shí)驗與仿真

　　為了驗證有限元仿真的可靠性，設計了一組實(shí)驗對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 記錄一次數據，實(shí)驗結果表明點(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56℃。仿真結果表明此時(shí)LED 結溫為76.1℃（如圖2 所示）。

　　LED 從開(kāi)始工作到穩態(tài)過(guò)程中，基板測點(diǎn)溫度變化曲線(xiàn)和仿真結果如圖3 所示，升溫過(guò)程中，實(shí)測結果略低于仿真結果，到達穩態(tài)后，兩則相差2.9℃，驗證了有限元分析的可靠性。材料參數的誤差、仿真過(guò)程中忽略了熱輻射以及將對流作為簡(jiǎn)單邊界條件施加是產(chǎn)生誤差的主要原因。

圖2 Lumileds 1 W LED 穩態(tài)溫度場(chǎng)分布云圖

　圖3 Lumileds 1W LED 基板中心點(diǎn)溫度實(shí)測數據與仿真數據對比

　　2.2 LED 熱應力與熱變形的模擬結果與分析

　　在計算得到瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布后，將熱單元solid70 轉換為結構單元，用循環(huán)命令將每一個(gè)時(shí)間步的溫度場(chǎng)讀入到應力場(chǎng)，并在基板底面三個(gè)方向加約束，計算得到穩態(tài)時(shí)應變和應力場(chǎng)如圖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，內部帶網(wǎng)格云圖表示未變形前的結構，另一個(gè)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(jiàn)，熱變形主要集中在透鏡和塑封料處，特別是透鏡與塑封料接觸地方，最大變形量達到6.3 μm。由于基板底部加了X、Y、Z 三個(gè)方向約束，相當于基板底部被固定，因此基板底部位移量為0 μm。

　　圖4（b）是LED 在穩態(tài)時(shí)應力分布云圖。由圖可見(jiàn)，透鏡、外封塑料層和基板頂部的熱應力很小，基板底部應力明顯大于頂部。這是由于基板底部熱膨脹受到X、Y、Z 三個(gè)方向的約束所致。圖5（a）為基板底部的應力分布圖，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）和等效應力云圖（b）

　　圖6（a）是鍵合層等效應力分布云圖。由圖可見(jiàn)，最大熱應力在鍵合層邊角處為269 MPa，鍵合層最小應力也達到94.6 MPa。這是由于鍵合層導熱系數較小，熱阻較大，熱量在此處積聚較多，導致在鍵合層邊角處熱應力成為整個(gè)封裝器件最集中部分。圖6（b）是芯片等效熱應力分布云圖，芯片最大應力在四個(gè)邊角處為34.1 MPa，如此高的應力易引起芯片破裂，要特別注意。

圖5 LED 基板底部（a）和頂部（b）的熱應力分布圖

圖6 Lumileds 1 W LED 鍵合層（a）和芯片（b）的等效熱應力分布

　　芯片頂面中心節點(diǎn)的位移隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖7 所示，X 和Z 方向位移近似為零，Y 方向的位移隨著(zhù)時(shí)間和溫度場(chǎng)的變化而不斷變化（Y 向為器件縱向即溫度傳遞方向），在光源點(diǎn)亮500 s 左右后，溫度場(chǎng)進(jìn)入穩定狀態(tài)，此時(shí)芯片應變量達到最大6.3 μm，與瞬態(tài)溫度場(chǎng)的變化相符。

　圖7 Lumileds 1 W LED 芯片中心節點(diǎn)位移隨著(zhù)時(shí)間變化曲線(xiàn)

　　2.3 基板路徑上的熱應力、應變及剪應力的模擬與分析

　　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，考察路徑上的應變、應力及剪應力的變化情況。

圖8 基板頂面上的路徑示意圖

　　圖9（a）表示的是路徑上X、Y、Z 三個(gè)方向的位移變化曲線(xiàn)。由圖可知，路徑上UZ 幾乎趨于零，Y 方向上，兩端形變較小，中間偏大，這與溫度場(chǎng)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(chēng)，這與基板的形狀與約束條件有關(guān)。圖9（b）為路徑上應力變化曲線(xiàn)，SX 與SZ 方向的應力變化趨勢相同，保持較高的應力水平，而SY 一直保持較低應力水平。X、Y、Z 三個(gè)方向顯示應力值都是兩邊大于中間，可以看出最大的應力出現在邊角處。

（a）

（b）

圖9 路徑上的位移（a）和應力（b）變化曲線(xiàn)

　　圖10 顯示了路徑上剪應力的變化情況，SYZ 與SXZ 幾乎重合，且剪應力很小，變化平緩；SXY 變化非常劇烈，說(shuō)明在Y 方向上，即基板與熱沉之間有較大的剪應力，且由中間向兩端增大，表明剪應力主要集中在邊角區域。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及彈性模量不同而產(chǎn)生較大剪應力。

圖10 路徑上剪應力的變化曲線(xiàn)

　　2.4 材料導熱系數對應力，應變和溫度的影響

　　圖11 表示LED 結溫隨著(zhù)器件各層材料導熱系數變化趨勢。

　　由圖可知，LED 結溫隨著(zhù)熱沉和鍵合層導熱系數的變化趨勢類(lèi)似，當λ 較小時(shí)，隨著(zhù)λ 增大，結溫迅速降低；當λ 較大時(shí)，隨著(zhù)各種材料導熱系數變化，結溫變化平緩。這是因為當λ 較小時(shí)，各材料的熱阻較大，而當λ 較大時(shí)，熱阻減小，熱量能順利傳出，此時(shí)導熱系數不再是影響整個(gè)系統傳熱效果的主要因素。由于LED 傳熱并不經(jīng)過(guò)透鏡，所以透鏡的導熱系數對LED 的結溫變化影響很小。

　　圖12 表示LED 芯片最大等效熱應力及最大應變，隨著(zhù)鍵合層導熱系數的變化。芯片的應變幾乎不變，與導熱系數無(wú)關(guān)；而芯片受到的熱應力隨著(zhù)導熱系數增大迅速減小，但增大到一定值后，熱應力變化趨于平緩，與鍵合層導熱系數改變對溫度場(chǎng)的影響趨勢相吻合。這是由于整個(gè)傳熱過(guò)程中，鍵合層的導熱系數最低，芯片到熱沉熱阻較大，導致LED 結溫較高，溫度梯度較大，使得熱應力比較集中，因此鍵合層的材料選取對改變LED 結溫和熱應力有至關(guān)重要的作用。

圖11 LED 結溫隨各種材料導熱系數變化曲線(xiàn)

圖12 LED 芯片最大應力及應變隨著(zhù)鍵合層導熱系數變化曲線(xiàn)

　　3 結 論

　　通過(guò)對功率型LED 器件的溫度場(chǎng)與應力場(chǎng)的模擬計算表明：LED 芯片軸向的應變與溫度場(chǎng)的變化情況相符合，在500 s 時(shí)趨于穩定；最大變形在透鏡與熱沉接觸地方，為6.3 μm；最大熱應力在鍵合層與芯片接觸的邊角處，為269 MPa，芯片的最大應力為34.1 MPa。通過(guò)材料對LED 結溫與應變的分析，得到LED 的結溫隨著(zhù)鍵合層和熱沉的導熱系數增大先急劇減小，但增大到一定值后，LED 結溫變化趨于平緩，而透鏡導熱系數對結溫幾乎沒(méi)有影響；LED 的最大等效應力隨著(zhù)鍵合層導熱系數的變化與溫度場(chǎng)變化情況完全相符合，對芯片的應變幾乎沒(méi)有任何影響。應變與應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)生應力集中的邊角區域，這些區域特別容易產(chǎn)生破壞，因此LED 封裝時(shí)，必須考慮到實(shí)際工作溫度，要求材料必須能夠忍耐熱應力集中的地方。

　　根據論文的分析結論，LED 熱應力的產(chǎn)生主要是由于各層封裝材料之間的熱力學(xué)性能參數不同而引起的。為了提高LED 的封裝品質(zhì)，需選擇合適的封裝材料，具備足夠大的導熱系數，以減小各封裝層之間的傳熱熱阻，防止熱量的積聚而產(chǎn)生大應力。為了避免LED 半導體器件產(chǎn)生大變形，各層封裝材料的熱膨脹系數差異要小。同時(shí)，各封裝層邊角處最好不要形成銳角，以避免在邊角處產(chǎn)生集中應力而破壞LED 器件。