LED封装的热学研究

实验设备
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
三、结果与分析（Results and discussion）
不考 虑热 辐射
• 在模拟仿真阶段热量的辐射被忽略， 所得到的结果如下图：
Simulation result with conduction and convection only
六、敏感性分析（Sensitivity analyses） • 经过对LED封装模型的分析和基于对 热阻的计算可知影响LED热阻的因素 有热沉材料性能，引线框架的机构， PCB板的性能，还有影响热对流的空 气流通速度。在此只选择引线框架来 具体分析。
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
Measurement result
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
五、模拟值与真实值的比较百度文库
Comparison between simulation and actual measurement result
上图显示实验值和模拟值之间的误差是5%， 这种偏差是实验所允许的。
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
Bottle-neck area in the leadframe
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
• 下图表示热阻随引线框架宽度变化而变化
Effect of leadframe width versus junction temperature and junction to pin thermal resistance
LED和LED的应用 和 的应用
LED和LED的应用 和 的应用
三、LED应用中存在的问题
• 随着LED的广泛应用，需要加大流过LED 的电流强度来增加LED的发光亮度以适应 市场的要求，但是虽然流过LED的电流越 大亮度也越好，但是这样会给LED带来大 量的热，这种发光热不及时散出就会影响 LED的使用寿命。所以为了达到高亮度和 延长寿命的目的，研究者不能改变LED本 身而只能优化LED和其他结构的关系（即 封装）来加强散热。
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
•考
虑 热 辐 射
LED所产生的热辐射是以红外线的形 式辐射出的，这种辐射不需要任何的 介质就能进行，它只与材料的特性有 关系，这种辐射也叫表面的热散失。
Emissivity value of LED surface
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验 Simulation result with conduction and convection only
封装和LED 封装和
LED封装 LED封装
package of through hole LED
封装和LED 封装和
一、封装和LED散热 • 电流流过LED时 的产生热量来源 是因为已经封装 好了的LED存在 热阻如右图：
resistor network of LED
封装和LED 封装和
二、热阻计算
Modeling result with radiation
对比可知在考虑热辐射后测得的结果和不 考虑热辐射测得的结果之间的误差只有 2%~3%。从而LED工作产生的热大部分还 是通过对流的方式散掉。
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
四、模拟数值的确定
• 实验经过对5个LED的模拟，每次计 算得数值与五次计算得到的平均值只 有10%的出入，由外部电阻所得到的 温度在23°-23.5°之间。
从图可知当引线框架的宽度从0.5mm到1.6mm变化时， 热阻会有很明显的变化，但是当宽度继续增加是，对热 阻的影响不再明显。
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
3、结合引线框架材料的导热性和宽度分析
Effect of combining leadframe material changed and leadframe width increased
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
一、FLOTHERM软件进行LED封装热模拟步骤：
1.建模并设定参数（Model set-up）
软件建模窗口
需要设定的各项参数
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Simplified model of through hole LED
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
由上可知由模拟值和实验值所得到的外部电阻的 误差是1%，而内部电阻的误差是8%。
结论
结论（Conclusion）
1.利用CFD的方式可以很快和准确的活的LED 的热学模型，这 其中包括与LED热阻有关的封装尺寸，进行LED热学实验所需 板的设计，如板的大小和材料使用，得到影响LED散热究方面 的一些因素，例如静态空气实验箱等。 2.通过对模拟实验得到的封装模型进行分析研究知，可以改善 LED组成部分的结构特点和性能来达到改善LED封装的热特性， 如通过改变引线框架材料的性能（从低碳钢到copper alloy copper OLIN 7025），LED内部热阻可以与原来相比降低30%，但是 再在此基础上来提高材料的热导率，热阻不会有明显改善；引 线框架的宽度从0.5mm到1.6mm变化时，内部热阻会降低 22.8%，但是厚度的改变对内部热阻的影响不明显；在降低材 料(OLIN 194)热导率的同时又改变引线框架的宽度（宽度设为 1.6mm），LED的内部热阻会降低51%。
LED和LED的应用 和 的应用
LED图：
封装结构图
实物图
LED和LED的应用 和 的应用
二、LED的应用
1.显示屏、交通讯号显示光源的应用LED 灯 具； 2. 汽车工业上的应用：汽车用灯包含汽车内 部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、 阅读灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯以及 头灯等； 3.LED代替LCD做显示器件的背光源； 4.LED作为照明用灯具； 5.装饰作用；
采用不相等的网格划分
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
Grid independent test for through hole LED
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
二、LED实验研究（Experimental investigation）
• 按照JEDEC（联合电子设 备工程会议）对实验步骤 的要求，采用单个LED样 件放在试验箱中根据样件 温度对电压的变化情况得 出一个线性常数K（Kfactor），也即K因子。K 因子要在软件测试时要作 为一个常数来使用。在实 验过程中每个LED的供给 电流是20mA。在测量内 部电阻时要每隔1s测一次， 而测量外部电阻时要等到 整个系统温度稳定以后， 从开始到稳定需15分钟。
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
2、引线框架的宽度影响（Effect of leadframe width）
• LED散热的途径 是LED芯片-热沉引线框架-PCB板， 在此过程中当热 由热沉传到引线 框架时会因引线 框架的宽度突然 减小而使得热传 导受阻，所以在 设计封装时要充 分避免这种现象。
• 热阻所满足的关系式
• 热阻的组成 内部热阻=芯片的热阻+沉底焊料的热阻 +LED内部热衬的热阻 外部热阻=内部热衬与金属线路板间的接触 热阻+金属线路板的热阻+线路板与环境温 度之间的热阻
封装和LED 封装和
• 有以上对热阻的分析可知：LED的封 装结构会决定热阻的大小，热阻的大 小又会决定LED温度的高低，温度的 高低就会影响LED的寿命。所以优化 LED的封装结构会延长LED的使用寿 命。
下图是采用所给材料做实验得到的曲线图
Effect of thermal conductivity versus junction temperature and junction to pin thermal resistance
Copper OLIN 7025和低碳钢相比，Copper OLIN 7025 的热导率比低碳钢的热导率高了大约三倍，所得到的热 阻也相应的大幅降低，但是从Copper OLIN 7025到 Copper C-151热导率变化很大但是热阻不会因此而变化 太大。
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七、实验测量（Validation with actual measurement）
实验所采用的样件是用了1.6mm导线引架和copper alloy OLIN 194相结合的 封装方式，室温23.7°-24.5°下图列出实验值和模拟值。
Comparison between simulation and measurement result of the improved package design
LED封装的热分析
提纲
• • • • LED和LED的应用 封装和LED LED封装模型的模拟和实验 结论
LED和LED的应用 和 的应用
一、LED概念
• LED就是发光二极管（Light Emitting Diode）。 是一种半导体固体发光器件，它是利用固体半导 体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半 导体中的载流子发生复合引起光子发射而产生光。 LED可以直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、 白色的光。
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
Surface temperature profile of a through hole LED
从左图可知LED工作 产生的热量大部分传 到芯片热沉，从芯片 热沉传到阴极最后传 到PCB板。虽然阳极 和阴极通过导电胶相 连接，但是只有很少 的热量从阳极散出。 通过实验知道LED内 部温度和外部温度的 差值是11.5°，这个 值还可以通过优化引 线框架解构来改善。
分析可知当结合引线框架材料的特性和改变引 线框架的宽度时，对热阻的影响最明显，此时 得到的热阻最小。
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
Effect of thermal conductivity and width of leadframe by considering L/kA
上图L代表导线引架的长度，k代表热导率，A是横截 面积，分析可知，LED结温和热阻随着导线引架热阻 的升高而升高。
封装和LED 封装和
三、LED封装热分析
利用计算流体动力学（computational fluid dynamic）即CFD和FLOTHERM软件进行LED封 装热模拟。软件设定模拟环境和实验真实环境一 样，用实验分析值和标准值进行比较然后建立合 适的实验模型进行试验，然后实验值再跟模拟值 进行比较，以此来达到修正的效果。模拟值和实 验值只有5%误差，而且用模拟的方法可以做到节 省成本，缩短开发周期等，所以采用CFD和 FLOTHERM软件进行LED封装热模拟分析是一种 有效的方法。
1、引线框架的材料（Leadframe material）
• 引线框架的材料从最开始的钢到现在 黄铜合金。下图列出了所选实验材料 的导热值。
Thermal conductivity value of various leadframe materials
LED封装模型的模拟和实验 封装模型的模拟和实验
2.网格划分（Grid generation）
Once the model has been completed, the software automatically generates basic grids to each component called system grids. However, system grids might not be sufficient for a high thermal gradient surface. The choice of grids affects both the solution and the convergence speed.Therefore, grid dependency study was performed. In this study, a grid independent model was performed using structured and nonuniform grid spacing across the computational domain. Grid independent for the through hole LED was achieved at Nx= 56, Ny=53, Nz= 51, which resulted in 151,368 total grids. Figure 3 shows the graph of grid independence study for through hole LED.