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1、大功率 LED的封装和散热中文摘要散热问题影响到LED的光输出特性和器件的寿命，是大功率LED封装中的关键问题。本论文首先介绍了LED产业的发展前景，再简述了LED的发光原理和特性，大功率LED的封装结构和散热原理。通过使用PRO/E建模和 Cfdesign 进行模拟分析，得出了LED芯片阵列在自然对流的情况下，各部分的温度分布情况。关键词：大功率 LED,封装，Cfdesign 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 22 页 -大功率 LED的封装和散热Abstract名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 22 页 -大功率 LED的封装和散热
2、1 绪论1.1 概述发光二极管 Light emitting diode(简称 LED)是在半导体 PN 结的地方施加正向电流时发出可见光、红外光、紫外光的半导体发光器件,其光谱几乎全部集中于可见光频段，所以发光效率高达90以上，其体积小，可靠性高，寿命长。近年来，随着半导体节能、环保照明工程的推动，LED 广泛应用于大面积图文显示全彩屏，状态指示、标志照明、信号显示、液晶显示器的背光源，汽车组合灯及车内照明等方面，吸引了全球照明大厂的先后加入。LED的优点如下：1)节能：LED是固体冷光源，光效高。商用白光 LED的光效目前已经可以达到50lm/W，消耗能量较同等光效的白炽灯减少约80，在能
3、源日趋紧缺的现代社会，LED固态照明技术有很重要的战略意义。2)性能可靠:封装后的 LED耐震、耐冲击不易破，目前已经广泛用于汽车煞车灯、阅读灯等。LED光源稳定性好，寿命可以达到10 万小时，即 10 年以上，可安装在环境恶劣、无法经常更换光源的地方。LED 取代以往带滤光片的白炽灯作为交通信号指示灯，既节约了电能，又保证了指示的可靠性与安全性。3)环保：LED为半导体电致发光，不存在重金属汞污染问题，废弃物可以回收。冷光源不包含红外光谱，所以发热量低，没有热辐射，是理想的照明光源。4)操作安全：LED使用直流低压电源，供电电压在624 V，比使用高压电源更安全，特别适用于公共场所。目前许多
4、景观照明都已经开始采用LED代替霓虹灯。5)灵巧适用：LED体积小、重量轻，单个LED芯片尺寸在 300m 1200m左右，可以封装成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。目前小尺寸的液晶显示一般采用LED作为背光源，既提高了色彩的饱和度，又减小了体积，大尺寸液晶显示的LED背光源也正在开发当中。6)响应时间：白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级，可以高频操作。用 LED做的汽车煞车灯响应时间为100 ns，可以给司机更多的反应时间，提高了行车安全。7)全彩色：LED光谱覆盖整个可见光波段，甚至延伸到红外紫外波段。LED的色纯度很高，可以提供逼真的全色性能，具有较宽的颜色色域范
5、围，已广泛应用于室内外大屏幕全彩显示。除了可见光波段，LED也向短波和长波方向发展，长波长LED可用于红外无线传输、光通讯等，短波长 LED可用于白光照明、生物医药等领域。LED被誉为 21 世纪新光源，即将成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源，被公认为当前十大前沿名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 22 页 -大功率 LED的封装和散热技术之一,LED 光源这种新型照明光源必将会取代传统照明光源，正带动着一场新的产业革命-照明革命。白光 LED光源研制的成功，为其以后在普通照明领域的应用发展创造了条件。与白炽灯相比，白光 LED照明可节电 80%9
6、0%、与荧光灯相比可节省50%的电能；寿命可达 810万小时，是白炽灯的2030 倍，是荧光灯的 10 倍，特别是它与太阳能电池、电磁感应电池联合使用后，更是一种极具竞争力的绿色光源，有望在未来的1020 年内成为新一代理想的固态节能照明光源。白光LED用作固体照明器件的经济性显著，且有利于环保，正逐步取代传统的白炽灯，世界年增长率在20以上，美、日、欧及中国均推出了半导体照明计划。1.2 LED 产业的发展前景我国在科技部“863”计划支持下，于2003 年及时启动了“国家半导体照明工程”，提出了在 2010 年达到 100 lm/W的目标。2004 年 4 月，科技部确定工作重点发展新型照
7、明行业，并确定福建厦门、上海、大连和江西南昌为首批四个国家半导体照明产业基地。从 2006 年的“十一五”开始，国家就把半导体照明工程作为一个重大工程进行推动。当前，我国经济快速增长，能源紧张的矛盾日益显现，我国照明所消耗的电能约占电力总消耗量的1/6，因此提高照明产品的能效水平，无疑将较大幅度降低能源消耗，有效缓解目前我国电力供应紧张的局面。国家将贯彻节能优先政策，并将“照明器具”列入节能重点领域，在“十一五”期间，大力推进绿色节能照明工程。由吉林省交通科学研究所和吉林省公路管理局共同承担的交通部西部交通建设科技项目公路隧道太阳能照明系统研究试验工程吉林省朝长公路花园隧道太阳能LED照明系统
8、于 2007 年 10 月投入使用。这是我国首座公路隧道太阳能智能LED照明系统。花园隧道位于我省靖宇县营抚公路上,是通往长白山旅游景区的隧道之一。隧道全长824 米,净高 7.3 米,净宽 9 米。这次建成的太阳能LED照明系统由 18 公里太阳能供电系统和812 套LED照明灯具组成,照明灯具及控制系统由吉林省交通科学研究所自主研发。该系统具有节能、美观、耐用等特点,总功耗 6 千瓦左右,仅为原设计功耗的1/5。美国能源部曾预测，2010年前后，美国将有55%的白炽灯和荧光灯被LED替代，每年节电价值可达 350 亿美元，可能形成一个500 一 1000 亿美元的大产业。2007 年欧盟春
9、季首脑会议已经达成协议，两年内(2009 年以前)欧洲各国将逐步用节能荧光灯取代能耗高的老式白炽灯泡，从2009 年规定日期开始，禁止生产白炽灯泡，以减少温室气体排放。欧盟各国在 2000 年启动“彩虹计划”，希望通过应用半导体照明实现高效、节能、不使用有害环境的材料、模拟自然光的目标。目前已经有很多公司介入，最大的LED生产制造商 OSRAM Opto-Semiconductor是目前世界 LED车用灯最大供应商。日本规划的“21世纪照明计划”要在2010年之后达成发光效率120 lm/W的目标，并名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 22 页 -大功率 LED的封装
10、和散热预计到 2010 年白色 LED在照明市场普及率将达13%，知名的 LED厂商包括日亚化工、松下电工、丰田合成、SONY、佳友电工等。日亚公司在LED市场上居于领先地位，其材料研发、外延、晶粒制作、封装皆自行完成。日亚开发的白光LED 样品，模块的安装面积为40mm40mm，厚度为 10mm。当输出光束为 1000lm 时，耗电量为 30W，发光效率大约为33lm/W，目前还开发了发光效率为50lm/W的白光 LED模块。随着半导体节能、环保照明工程的推动，普通照明市场对高亮度LED器件的需求是巨大的，但是受限于白光LED的发光效率和价格条件，在普通照明市场的普及还比较低，因为要获得与白
11、炽灯、荧光灯等相同的照度，整个照明系统的成本上很高。实际应用的照明设备，如照亮写字台、屏幕或房间的光源不仅要求高发光效率和长的使用寿命，还要具有很高的光通量和可接受的价格。表 1.1 各地区、国家 LED光源计划之比较随着 LED技术的不断发展,关键技术的突破，以及大功率、高效率的LED芯片的开发成功，大功率 LED光源的效率已经达到60lmW 以上，应用于城市的道路照明已经成为可能。虽然国内的 LED道路照明灯具的商业化已经取得了一定的进展，但是仍存在着一些亟待解决的问题。主要表现为LED道路照明灯具产品标准的缺位；不同显色指数的高压钠灯的照度标准不适合LED光源；劣质的产品对LED路灯灯具
12、商业化所产生的消极影响；以次充好的 LED产品严重地扰乱市场的次序。以上的种种因素都将造成广大用户对LED路灯产品的可靠性、安全性及节能效果持有一定的怀疑态度，而且大功率LED路灯的初次购人成本也较高。这也给LED道路照明灯具产品的市场应用和推广带来较大的压力。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 22 页 -大功率 LED的封装和散热2 大功率 LED 的封装2.1 LED 发光原理半导体中的电子可以吸收一定能量的光子而被激发，同样，处于激发态的电子也可以向较低的能级跃迁，以光辐射的形式释放出能量。也就是电子从高能级向低能级跃迁，伴随着发射光子，这就是半导体中的发光现
13、象。产生光子发射的主要条件是系统必须处于非平衡状态，即在半导体中需要有某种激发过程存在，通过非平衡载流子的复合，才能形成发光。根据不同的激发方式，可以有各种发光过程：如电致发光、光致发光和阴极发光等。LED是一种电光转换型器件，为PN结的结构。在 PN结上加正向电压，产生少子注入，少子在传输过程中不断扩散，不断复合而发光。这种发光是由电流（电场）激发载流子，是电能直接转变为光能的过程。图 2.1.1 为 LED发光机理图,在 LED的 PN结合部有一发光层,当注入电流时，在该处电子和空穴复合后放出与电子和空穴的能量差相对应的能量h(h 为普朗克常数,为频率)而发出光子,该能量差相当于半导体材料
14、的带隙能量Eg(单位：电子伏 Ev),其与发光波长(单位：m)的关系为=1.24/Eg，因此通过选择不同的带隙宽度的材料，其发光谱可以从红外、可见光、以及紫外波段，而且这类器件的发射光谱与温度有很大关系。图 2.1 LED 发光机理图名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 22 页 -大功率 LED的封装和散热2.2 LED 热的产生、传导和疏散与传统光源一样，LED 在工作期间也会产生热量，其多少取决于整体的发光效率。在外加电能量作用下，电子和空穴的辐射复合发生电致发光，在PN 结附近辐射出来的光还需经过晶片(chip)本身的半导体介质和封装介质才能抵达外界(空气 )。
15、综合电流注入效率、辐射发光量子效率以及晶片外部光取出效率等，最终大概只有 3040的输入电能转化为光能，其余 60 70的能量主要以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化热能。而晶片温度的升高，则会增强非辐射复合，进一步消弱发光效率。图 2.2 辐射复合和非辐射复合大功率 LED光通量的提高进程中伴随着散热方面的技术瓶颈，散热处理是否成功直接影响到大功率 LED的光学参数以及产品的寿命等指标。因为每单元光通量的增加伴随着每单元发热量的增加，而热量的增加又带来相应的问题。主要表现为几个方面：发光效率随着结温的升高而降低、光色随着结温的升高而漂移、LED 封装结构随着热量的增加而产生机械强度问题、为了
16、散热使得单元的体积增加。若能降低大功率 LED 的热阻、结温，并使PN结产生的热量尽快散发，则不仅可提高产品的发光效率和饱和电流，同时也可提高产品的可靠性和寿命。为了降低产品的热阻，封装材料的选择就显得尤为重要，包括晶片、金线，硅胶、热沉以及粘结胶等，导热性能好；其次结构设计要合理，各材料间的导热性能和膨胀系数要连续匹配。结点到周围环境的热传导方式可分为三种：1)传导。热量是通过逐个原子传递的，故绝对不能采用高界面热阻的材料。2)对流。热量通过流转的液体（空气、水）扩散和对流，再从散热器传递到周围环境中去，故不要限制或阻止对流。3)辐射。热量依靠电磁波经过液体、气体和真空传递，故需要高辐射材料
17、。LED对温度敏感，一般来说，结温要保持在125以下以避免性能下降甚至失效。事实上，即使结温在 125 以下，寿命和输出光通也会随着温度的升高而下降。如何保持LED 工作温度较低以获得更高的可靠性和光学指标就取决于基板材料的热传导性能。同名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 22 页 -大功率 LED的封装和散热时，结温与 LED 的光色也有关系。一般而言常温下的光色最为纯正，而结温升高或降低都会造成光色的漂移。不同波长的光对温度的敏感性不同，绿光的敏感性最高，蓝光最不敏感。无论如何，光色的漂移将使得色温难以稳定，影响白光LED 的光学性能。2.3 大功率 LED的封装
18、结构及其散热原理芯片的热量通过内热通路传导至热沉，热沉通过空气对流或向外辐射散热。在大功率LED 散热通道中，MCPCB(meta1 core printed circuit boards)是连接内外散热通路关键环节，至少有以下功能:1)LED芯片的散热通道；2)LED芯片的电气连接；3)LED芯片的物理支撑。大功率 LED的基板材料必须有高的电绝缘电阻，高稳定性，高热导率，与芯片相近的热膨胀系数以及平整性和一定的强度。少数金属或合金能满足高导热率低膨胀系数的要求，为保障电绝缘性，需要涂覆高分子聚合物膜(难得有高热导率)或者沉积一层陶瓷膜。纯粹的陶瓷材料难于加工而成本高，一些半导体材料的物性参
19、数可以很好地满足要求，成本同样偏高，它们都不太可能用来作普通照明的LED的基板材料，但可以用很小一片作为承载 LED的 Submount(一级热沉)，起绝缘作用，贴在热沉(二级)上。Lumileds 的 Luxeon系列产品在同类产品中最先采用热通路和电通路分离的方案，极大地减少了热阻，可以把更多的热量从管芯释放出去。LumlledS 的功率型 LED为倒装模式，以硅片为热沉。通过集成在硅热沉中的齐纳二极管提供静电保护的同时，这种设计也能降低热膨胀系数不匹配的冲击(硅与蓝宝石衬底有相近的热膨胀系数)。此外，硅材质与焊球还扮演着应力吸收器，以进一步疏缓热膨胀效应。以硅载体粘着焊球使LED芯片紧密
20、地与硅载体接合在一起，再打线连接到导线框。光滑的硅表面上有高反射性的铝金属层。LED 的焊接面一般覆金，以提供最佳的热传导，以及芯片与导线框、铜散热器的接合强度。图2.3.1 是 LumiledS 的 Luxeon 系列 LED局部到整体的封装结构示意图。其主要特点:热阻低(14/W)，只有常规 LED的 1/10;可靠性高，封装内部填充稳定的柔性胶凝体，在40120范围，不会因温度骤变产生的内应力，使金丝一与引线框架断开，并防止环氧树脂透镜变黄，引线框架也不会因氧化而站污;反射杯和透镜的设计使辐射图样可控、光学效率提高。另外，其输出光功率，外量子效率等性能优异，将 LED固体光源发展到一个新
21、水平。所用硅片很薄，这样可以发挥最大的热传导效能，让LED 的高热很快地经由此传到散热器上。在各种Luxeon 产品中，一级热沉(Slug)(厚度大约 1.5mm)通过环氧胶粘贴在MCPCB 上。MCPCB 保障电的互连 (electrical interconnect)，也是与第二级热沉的连接的界面。在没有第二级铝热沉的情况下，LED也能在室温下工作，但是MCPCB 很容易达到 70。多级次的热沉虽然增加了一点热阻，但使名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 8 页，共 22 页 -大功率 LED的封装和散热散热面大大扩展了(内通道内的热沉往往称为 heatspreade二热扩散层
22、，在三个维度方向都应有较高的热导率)，从而使对流散热和辐射散热大大增强，进而整个系统的散热能力得到改善。图 2.3.1 Lumileds的 Luxeon 系列 LED局部到整体的封装结构示意图限制最高结温的另一个方面是硅载体与芯片间因为膨胀系数差异而导致的最大允许热应力限制。在多情况下，大功率LED芯片通过 Submount或 heat spreader过渡，安装在 MCPCB 上，而 MCPCB 紧贴在铝热沉上，两者光滑表面常用螺钉或弹簧加力紧固，并用导名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 9 页，共 22 页 -大功率 LED的封装和散热热胶粘贴以尽量减小界面热阻。在应用中，一
23、可将己封装产品组装在一个带有铝夹层的金属芯PCB板上，形成功率密度 LED，PCB板作为器件电极连接布线之用，铝芯夹层则可作热沉使用，获得较高的发光通量和光电转换效率。此外，封装好的 SMDLED体积很小，可灵活地组合起来，构成模块型、导光板型、聚光型、反射型等照明光源。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 10 页，共 22 页 -大功率 LED的封装和散热3 LED 阵列建模和模拟分析3.1 数学模型由于单个 LED的光通量(lm)有限，1W的 LED大约在 2040lm之间，要作为照明光源这个亮度是远远不够的，必须配置多个LED芯片组成阵列。LED阵列的外形尺寸可以做的很小，
24、集成密度做的更高，一个单片组件往往需要几十、几百甚至上千个发光二极管。因此开发 LED照明用光源，则必须对包括多个LED集成器件光分布在内的装置系统进行优化设计。LED阵列的设计理念就是把多个LED芯片集成在一个小模块里，从而得到高光通量的光源。一般当LED模组的光通量达到1000lm 以上，就可以作为普通照明光源。但是这种多芯片封装在提高了总光通量的同时也带来了一个散热问题，假设1W芯片，尺寸为 1mm2，那么其热流密度可达到100W/cm2左右，如果将芯片的驱动电流增加到1A，输入功率将近3W，相当于热流密度增加到300W/cm2。可见 LED封装中的热管理是多么重要，特别是对高密度的多芯
25、片阵列封装模块。在有限的面积内模组中芯片数量增多，功率密度也增大，再加上芯片与芯片之间由于间隔很小，其热影响除了来自本身芯片的发热外，其他芯片所产生的热量也会相互影响。这样给散热处理提出了很大的挑战。如果不能采用很好的散热方式，势必会热量的急剧积累，热量不仅影响LED的电子性能，也影响LED的亮度及颜色，随着芯片温度升高，光谱发生红移，发光效率下降，当芯片温度达到120以上，芯片会失效不发光，从而使得整个 LED模块失效。为了保证LED模块的可靠性，一般要求LED结温在 80以下工作。为了提高功率型LED器件的散热能力和出光效率，产生了倒装焊芯片(flip-chip)结构。分别给出了目前常用的
26、正装与倒装焊功率型 LED芯片结构的示意图。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 11 页，共 22 页 -大功率 LED的封装和散热图 3.1（a）（b）两种 LED芯片结构倒装焊结构的特点在于以热导率较高的Si(或陶瓷)材料作为器件热传导的介质，通过倒装焊技术将LED芯片键合在 Si 衬底上。与正装结构的LED相比，倒装焊芯片结构使器件产生的热量不必经由蓝宝石衬底，而是由焊接层传导至Si 衬底，再经 Si 衬底和粘结材料传导至金属底座。由于Si 材料的热导率较高，可有效降低器件的热阻，提高其散热能力。本次模拟采用了多芯片倒装焊结构，并确通过将金属表面氧化获得氧化膜的方法，解决绝
27、缘问题和加速热传导。通过PRO/ENGINEER建模，3D模块中每一层材料都由块状模型建立而成，每一层材料的具体材料性能参数如表3.1 所示。在建模的过程中，没有把荧光粉涂层以包括在内。表 3.1 LED 模组各部分的具体热导率图 3.2、3.3 为 LED模组的封装结构示意图，由上至下依次为环氧树脂透镜、硅衬底、粘结用的银胶、铜基板和铝散热片。因为环氧树脂的热导率很差，所以芯片产生的热量绝大部分经银胶、铜基板等传导到散热片上，然后通过散热片向大气散出。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 12 页，共 22 页 -大功率 LED的封装和散热图 3.2 LED 模组的封装结构示意图
28、（一）图 3.3 LED 模组的封装结构示意图（二）从芯片到散热片之间，热量是以热传导的方式传递，因此封装材料的传导热阻对芯片温度有很大影响。传导热阻的大小反比于材料的热导率，正比于热量传导方向上的厚度以及截面积，对于特定的封装工艺来讲，厚度和截面积一般都是确定的，因此要降低封装材料的热阻，必须提高材料的热导率。在热量传导路径上，银胶热导率最低，其热阻最大。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 13 页，共 22 页 -大功率 LED的封装和散热散热片采用优化后的结构，芯片尺寸为1 mm 1 mm，热功率为1W。实际上银胶热导率很少能达到5Ow/(m K)，且高热导率的银胶造价较高
29、，性能也不稳定，最后选用了热导率2Ow/(m K)的银胶。另外，芯片表面温度差别也随银胶热导率变大而变小，这是因为当银胶热导率变大时，热阻变小，热量更容易向下传导，横向扩展的热量减少，从而芯片的横向扩展热阻降低，温度差别减小。考虑到热应力等因素，芯片本身温度不均匀会导致器件过早的老化失效，所以提高银胶的热导率也有利于提高器件的有效寿命。3.1.2 散热片结构的设计LED产生的热量经由封装材料传导到散热片后，通过散热片向大气散出。为增大散热面积，散热片通常设计为带翅片的结构。我们考虑普通的情况，LED 体积小，研究内容属于集中热源散热问题，LED应具有一定体积的较高热导率的材料将热量从LED导出
30、然后通过翅片与空气对流将热量散出；考虑到整体大小，散热片尺寸限制在高 30 mm、直径 60 mm以内，材料为工业上普遍采用的具有高热导率的铝。翅片数对于散热片性能有一定的影响，翅片数目有一个最优值，这是因为翅片数目太少时，对流面积太小，而翅片数目太多时，空气流动阻力加大，对流系数降低。随翅片长度或者散热片高度增加，散热片与空气的对流面积增加，散热片温度单调下降。但由于尺寸限制，翅片长度或者散热片高度都不宜取太大。图 3.4 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 14 页，共 22 页 -大功率 LED的封装和散热图 3.5 多芯片阵列中芯片数量增多，大功率芯片相对集中，导致单位组
31、件面积的发热量增大。阵列中含有多个热源，使得热设计、热分析、以及热模拟变得十分复杂，而且各种影响也明显多于单芯片结构。如果结构设计以及材料选择不当，产生热量又不能有效耗散出去，将导致阵列模块内外温度梯度增大，从而非常容易在多芯片阵列的内部形成局部过热，或局部热应力过大使芯片发生破裂、或者损坏。为确保芯片工作可靠性，必须让阵列模块内部的温度限制在允许值以下。这就要求芯片封装衬底以及基板都具有优良的散热特性、高热传导性以及裸芯片相接近的热膨胀系数，尽量减少由于温度升高而产生的热应力。在散热方面，大功率 LED封装器件所需要的冷却技术，已不是单靠散热片或风扇所能提供的，一些新的技术也相应出现了，比如
32、微喷技术、微通道冷却技术，热电偶冷却技术、纳米传热技术等等。3.2 热模拟封装后的 LED 模组，产生热量最终需要通过散热片向空气散出，因此与空气自然对流过程密切相关，因此对于大功率LED模组的封装散热优化分析，有必要引入计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)的方法对模组的散热性能进行模拟。通过用CFD流体软件进行了模拟分析，可以看到如何把LED多芯片阵列产生的热量带走，其主要有芯片之间温度差别、整个模块在允许工作温度下能耗散的总热功率以及模块表面温度分布等方面的影响。在本次模拟中，主要是运用了Cfdesign 软件。3.2.1 CFDesign介绍B
33、lue Ridge Numerics 公司多年来致力于开发一种让所有设计者和工程师都能够方便名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 15 页，共 22 页 -大功率 LED的封装和散热学习、使用的计算流体软件。为了这个目的，Blue Ridge Numerics开发出的 CFD软件可以同你原本拥有的多种CAD建模软件相配合。这些CAD建模软件可以是Inventer，Pro/Engineer，Solidedge，Unigraphics 或者 Solidworks 等等建于 ACIS 或 Parasolid 核心基础上的 CAD 软件。Blue Ridge Numerics公司始创于 1
34、992 年，首席执行官 Ed Willianms在公司创建之初说过：“只做一个设计的模拟不是问题，除非 CFD可以在主流设计群体中广泛应用，在 PC 机上快速的评估十个，二十个，甚至上百个不同产品设计，只有这样，CFD 才可以创造可观的附加财富”。从那时候开始，公司确定的目标就是：让所有的产品设计师、工程师拥有一个功能强大、简便易学的 CFD 软件。经过 10 年的发展，Blue Ridge Numerics 公司出品的CFDesign 软件已经在北美、欧洲、亚洲拥有众多的客户。并且，它简单易学，同时功能毫不逊色，博得客户的极力赞赏。CFDesign 可以对各种 CAD 软件所建立的模型进行数
35、值模拟，如 Inventor，Pro/E，Solidworks，SolidEdge，UG,I-deas,CATIA 等等。应用各种 CAD 软件建模的产品开发人员可以直接将所建模型输入 CFDesign，经过简单的设置就可以完成对模型的流场分析，得到产品设计师和工程师所关心的各种物理性质参数、温度分布、流场结构等等，为产品的改进提供重要的参考。特别需要指出的是，CFDesign 中包括了工业首创的固体运动模块，这是对传统计算流体力学软件中运动结构分析能力的重要提高，使得它能够完全地模拟旋转机械和平动物体的运动。CFDesign 很适合不具备流体专业知识的电子行业的工程师使用，电子行业的工程师可
36、以将模型方便的导入CFDesign，快速的进行流动、热分析，给设计工作有力的指导。CFDesign可以进行系统级、板级、芯片级的热分析。在电子设计工程中，设计师、工程师常常会遇到各种各样的涉及流动、传热的课题，然而在目前阶段，几种高端的CFD软件需要专业的 CFD人才花费大量的时间去学习掌握，很难在大部分工业领域得到普及。CFDesign可以快速完成各种电子系统、器件的散热模拟工作，并且它简单易学，功能毫不逊色。3.2.2 CFDesign模拟分析CFDesign操作界面如图所示。分析前，先设好一下参数条件：1)设置基本单位：inch-watt；2)设定边界条件：压强、温度（假设室温25），在
37、硅衬底上表面设立热源（16 片1W的芯片）；3)划分网格；4)设定材料：空气、环氧树脂透镜、硅衬底、导热银胶、铜基底、铝散热片；5)选择分析类型和条件：不可压流、热传导、开启重力影响；名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 16 页，共 22 页 -大功率 LED的封装和散热6)分析：选择定常流、设定计算步数（设为200）、设定计算的松弛因子（控制收敛的稳定性和收敛的速度，对于本次模拟，不需要更改原始设置）；7)计算。图 3.6 Cfdesign的界面计算结果如下：图3.7、3.8 为竖直剖面截图图 3.7 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 17 页，共 22 页 -
38、大功率 LED的封装和散热图 3.8 图 3.9、3.10 为水平面剖面图图 3.9 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 18 页，共 22 页 -大功率 LED的封装和散热图 3.10 图 3.11、3.12、3.13 为图 3.11名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 19 页，共 22 页 -大功率 LED的封装和散热图 3.12 图 3.13 名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 20 页，共 22 页 -大功率 LED的封装和散热4 总结LED是近几年来研究应用的热点之一，特别是随着W级以上的大功率 LED芯片的制备成功后，大大提高了其在各个领域
39、的应用潜力。LED具有无污染、发光效率高、寿命长、低电压工作等突出优点，国内外光电、照明、半导体以及能源等领域的人士，已经看到了LED 未来的巨大市场价值，纷纷大力争夺占领这块市场。可以说，LED 光源的发展将会冲击国家的经济、全球环境及技术的发展。本文主要介绍了LED产业的发展前景，及其发光原理和特性，大功率 LED的封装结构和散热原理，利用软件建模和Cfdesign进行热分析，取得了比较满意的结果。它具有功能强大、简便易学的特点，并且，它的功能与其他的CFD软件相比毫不逊色。分析的结果还可以再深入。但由于本人初次接触PRO/E和 CFdesign，对其掌握程度还不够熟练，由于时间有限，只是
40、设定部长为200，没有计算出非常精确的温度，但是对于一般的用途，本次模拟具有了一定的指导作用。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 21 页，共 22 页 -大功率 LED的封装和散热参考文献1 李华平.大功率 LED的封装及其散热基板的研究D.中国科学院研究生院2007 年 5月 10 日2 陶玖祥，李洪波.美国即将出台 LED灯具新标准 J.灯与照明 2007 年 6 月 第 31 卷第 2 期 12 13 3 大 功 率 固 态 照 明 热 处 理 技 术 的 进 展 Z.中 国LED 广 告 照 明 网http:/ 4 CFDesign 在电子散热方面的应用 Z.http:
41、/ 钱可元,郑代顺，罗毅.GaN基功率型 LED芯片散热性能测试与分析 J.SEMICONDUCTOR OPTOELECTRONICS Vol27.No.3 June 2006 6 魏青.LED道路照明光源的散热与配光应用R 福建嘉能光电7 筑龙网.LED的发展初探 Z 8 万可顺.LED的开发与应用陕西工业职业技术学院学报N.2007 年 6 月 第 2 卷第 2期9 齐雪静.LED矩阵综合性能测试 D.浙江大学信息工程学院 2006 年 5 月 8 日10 马泽涛.白光高亮度发光二极管（HB-LED）封装研究 D.华中科技大学物理电子学院 2005 年 9 月 29 日11 刘学林.新型氮化物材料与新结构大功率LED研发D.厦门大学 2 0 0 6年 5 月12 房 华，李 阳.大功率 LED的热量分析与设计 R 深圳雷曼光电科技有限公司13 马洪霞，钱可元，韩彦军等.大功率氮化镓基白光LED 模组的散热设计 J.半导体光电)2007 年 10 月第 28卷第 5 期14 杨光.新型大功率 LED路灯及替代效益分析 J.灯与照明 2007 年 12月 第 31卷第 4期15 唐政维,关鸣,李秋俊等.一种通用低成本大功率高亮度LED 封装技术 J.微电子学 2007 年 6 月第 37 卷第 3 期名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 22 页，共 22 页 -