0 引 言

　　LED 因具有無污染,、高效率、壽命長,、體積小等優(yōu)點,，成為最有前途的照明光源。隨著功率型LED在照明領域應用的不斷發(fā)展,，對LED 小型化,、高功率化的要求越來越迫切，低熱阻,、散熱良好及低應力的封裝結構是功率型LED 器件的技術關鍵?，F(xiàn)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 散熱能力的關鍵是減小鍵合層的熱阻,。鍵合材料導熱系數(shù)" title="導熱系數(shù)">導熱系數(shù)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(shù)（CTE）差異較大,，當膨脹受到外部約束時也會產(chǎn)生較大熱應力。封裝過程產(chǎn)生的熱應力不僅影響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。熱應力大小已成為*價功率型LED 可靠性的主要指標之一,。

　　目前,，國內(nèi)外已經(jīng)對LED 熱應力分布做了相關研究。2006 年,，Jianzhen Hu 等人對Ga-N 基LED 熱應力分布進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(shù)對LED 結溫" title="結溫">結溫和最大熱應力的影響,；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" title="溫度場">溫度場和應力場的變化情況,。但上述研究中都將LED 溫度場和應力場分別進行了模擬分析,，而沒有分析溫度場對應力場的對應變化關系，也未分析應力與應變的變化趨勢,，而且從公開的文獻來看,，并未發(fā)現(xiàn)任何有關研究鍵合層材料這個關鍵因素對LED 應力場分布的影響。

　　論文以熱應力理論為依據(jù),，模擬了LED 瞬態(tài)溫度場和應力場分布的變化,，并與實測的LED 基板底部中心溫度變化情況進行了對比研究；并分析了瞬態(tài)溫度場和應力場的對應變化關系,；模擬研究了鍵合層材料導熱系數(shù)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(jù)傳熱理論，具有內(nèi)熱源的大功率LED 瞬態(tài)溫度場分布應該滿足如下方程：

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

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

　　式中：σ 為熱應力，α 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及應力場分布,。

　　以Lumileds 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 封裝材料的熱力學參數(shù)

　　2 實驗、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(shù)為10 W/m2.℃,，并忽略各層材料中的接觸熱阻,，設定求解時間為600 s，時間子步為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)溫度測試實驗與仿真

　　為了驗證有限元仿真的可靠性,，設計了一組實驗對Lumidleds 1 W LED 進行溫度測試,，測點為鋁基板底面中心，給定電流350 mA,，電壓3 V,，溫度測試時間為10 min,，每隔10 s 記錄一次數(shù)據(jù)，實驗結果表明點亮8 min 后,，LED 基本處于熱平衡狀態(tài),，此時基板中心溫度為56℃。仿真結果表明此時LED 結溫為76.1℃（如圖2 所示）,。

　　LED 從開始工作到穩(wěn)態(tài)過程中,，基板測點溫度變化曲線和仿真結果如圖3 所示，升溫過程中,，實測結果略低于仿真結果,，到達穩(wěn)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(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 基板中心點溫度實測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)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)溫度場分布后,，將熱單元solid70 轉(zhuǎn)換為結構單元，用循環(huán)命令將每一個時間步的溫度場讀入到應力場,，并在基板底面三個方向加約束,，計算得到穩(wěn)態(tài)時應變和應力場如圖4（a）、（b）,。

　　圖4（a）是Lumileds 1 W LED 在最終時刻（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構，另一個實體云圖表示LED 在受熱膨脹后的變形效果,，這里對變形量按比例進行了放大,。由圖可見，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(wěn)態(tài)時應力分布云圖。由圖可見,，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,，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(shù)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(jié)點的位移隨時間變化曲線如圖7 所示，X 和Z 方向位移近似為零,，Y 方向的位移隨著時間和溫度場的變化而不斷變化（Y 向為器件縱向即溫度傳遞方向）,，在光源點亮500 s 左右后，溫度場進入穩(wěn)定狀態(tài),，此時芯片應變量達到最大6.3 μm,，與瞬態(tài)溫度場的變化相符。

　圖7 Lumileds 1 W LED 芯片中心節(jié)點位移隨著時間變化曲線

　　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 三個方向的位移變化曲線,。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，這與溫度場分布相符合,；UX 兩端位移較大,，往中間逐漸減小，且兩端關于中心對稱,，這與基板的形狀與約束條件有關,。圖9（b）為路徑上應力變化曲線，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(xiàn)在邊角處,。

（a）

（b）

圖9 路徑上的位移（a）和應力（b）變化曲線

　　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(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)生較大剪應力。

圖10 路徑上剪應力的變化曲線

　　2.4 材料導熱系數(shù)對應力,，應變和溫度的影響

　　圖11 表示LED 結溫隨著器件各層材料導熱系數(shù)變化趨勢,。

　　由圖可知，LED 結溫隨著熱沉和鍵合層導熱系數(shù)的變化趨勢類似,，當λ 較小時,，隨著λ 增大，結溫迅速降低,；當λ 較大時,，隨著各種材料導熱系數(shù)變化，結溫變化平緩,。這是因為當λ 較小時,，各材料的熱阻較大，而當λ 較大時,，熱阻減小,，熱量能順利傳出，此時導熱系數(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,，所以透鏡的導熱系數(shù)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，隨著鍵合層導熱系數(shù)的變化,。芯片的應變幾乎不變,，與導熱系數(shù)無關；而芯片受到的熱應力隨著導熱系數(shù)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(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,，鍵合層的導熱系數(shù)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重要的作用,。

圖11 LED 結溫隨各種材料導熱系數(shù)變化曲線

圖12 LED 芯片最大應力及應變隨著鍵合層導熱系數(shù)變化曲線

　　3 結 論

　　通過對功率型LED 器件的溫度場與應力場的模擬計算表明：LED 芯片軸向的應變與溫度場的變化情況相符合，在500 s 時趨于穩(wěn)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。通過材料對LED 結溫與應變的分析,，得到LED 的結溫隨著鍵合層和熱沉的導熱系數(shù)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(shù)對結溫幾乎沒有影響,；LED 的最大等效應力隨著鍵合層導熱系數(shù)的變化與溫度場變化情況完全相符合，對芯片的應變幾乎沒有任何影響,。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(qū)域，這些區(qū)域特別容易產(chǎn)生破壞,，因此LED 封裝時,，必須考慮到實際工作溫度，要求材料必須能夠忍耐熱應力集中的地方,。

　　根據(jù)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性能參數(shù)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(shù),，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(shù)差異要小。同時,，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,。