大功率白光LED封装温度场模拟及材料优化
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15 ]
。
因此 对 大功率
，
LED
芯 片 的封 装 设
计和材 料优化更 显 得 尤 为重 要
1
。
有 限 元模 型 的建 立
图 2
A NS Y S
中的 LE D 网格划 分
温 度分 布是 电子 封 装 结构 最 重 要 的参数 之
而 对封装结 构温 度 的实 际 测 量 比较 困难
，
，
．
一
，
然
而且 工 作量
言
应用 于 家用 普通 照 明 领域 ．并 开 始应 用 于 汽车 前照 大
灯 ， 是一 项开 创性 的技 术创 新 。可 以说 ，Ｅ 光源 的 这 ＬＤ 发 展将 会 带动 国家 的经济 发展 和全 球环 境 的改善 ｜。 ３ 大 ］
功率 Ｌ Ｄ 制 作要 能可 靠稳定 发 光并应 用 于市场 ， 就 Ｅ 这 是封装 要解 决 的关键 问题 。
，
．
每
18
个月到
，
24
个月可提升
一
倍 的亮 度
，
而在往后 的
十 年 内 预 计亮 度 可 再 提 升 20 倍 随着功 率 的大 幅度
升高 PN 节 点 的产热 也 大大 的提高
，
、
，
而 这 部分热 量 会
、 、
直接 影 响到 L E D 的工 作温 度 发 光 效率 发 光 光谱 使
用 寿命 等性 能
．
光 L E D 照 明灯 具 其结 构 如 图 l 所 示
，
。
LE D
灯具主要
P CB
，
自然 对 流 散 热 不 考 虑 材 料 之 间 的 接 触 热 阻 认 为 它 们
之 间是 紧密连接 温 度场分 布如 图 3 所示
，
由灯 罩 和 灯 头 两 个 构 件 组 成 (P r i n t e d C i r c
2 2 1
．
计 算结 果 与分 析 封装结 构 温 度 场分析 在考 虑 灯 罩 的稳 态 情 况
，
，
非 常大 为此 实际 分 析 L E D 封装 结构 的温 度 场 时通 常
采 用 数 值 模 拟 的 方 法 [6 ] 作 为 文 中 研 究 对 象 的 高 功 率 白
。
由灯 罩 外 表 面 向 空 气 中
维普资讯
俘 掳 专家论坛
．一
大 功率 白光 Ｌ Ｅ Ｄ封装 温度 场模 拟及材 料优 化
现 代 焊 接 生 产技 术 国 家重 点 实验 室哈 尔滨 工 业 大 学 （５ ０ １ １０ ０ ）
哈 尔 滨 工 业 大 学 （ 威 海 ） 材 料 学 院 （６ ２ ９ ２４０ ）
际 测 量计 算 得 出 Ｌ Ｄ 的结 温 为 ３４５ Ｋ， 数 值 模 拟 的结 果 基 本 吻 合 。封 装 陶瓷 基 板 是 阻 碍 器件 散热 的主 要 部 Ｅ ９． 与
分 。 此 ， 出 了几 种 优 化 方 案 ， 别是 采 用 不 同 的 Ｌ Ｄ封 装 材 料 以及采 用 不 同 的 铝热 沉 结 构 尺 寸 ， 且 进 行 了 为 提 分 Ｅ 并
收稿 日期 ：２ ０ 一 ４ ２ ０８ｏ—４２ຫໍສະໝຸດ ２０ ０ ８年第 ６期
维普资讯
渤
∥
．
疡
～
。
专 家论 坛
r
缛掳
领 域 其 封 装 散 热 从 来 就 不 是 问题 但 近 年来 L E D 的 功
，
，
率 与亮 度 都有 了很 大 的提 升 在
。
30
多 年 的发 展 中 L E D
外 光 电 、 明 、 导 体 以及 能 源 等 领 域 的人 士 ， 照 半 已经 看
到 了大 功率 白光 Ｌ Ｄ未来 的 巨大市 场价 值 ，纷 纷 大力 Ｅ
争 夺 占领 这块 市场 。专 业 人 士预 测 白光 Ｌ Ｄ光源 在 Ｅ
并不 能 简 单地 套 用传 统 的小 功率 Ｌ Ｄ 器 件 的封装 方 Ｅ
大 功 率 Ｌ Ｄ 单 芯 片 的 功 率 等 于 若 干 个 小 功 率 Ｅ Ｌ Ｄ 的总 和 ， 电线 路相 对 简 单 ， 热 结构 完 善 ， 理 Ｅ 供 散 物 特 性稳 定 ｜。在完 成大 芯 片制作 后 ， 临着 如何将 大 芯 ４ 』 面
片进行 封装 的挑 战 。 于大 功率 Ｌ Ｄ 器 件 的封装方 法 对 Ｅ
模 拟 对 比。 果 表 明 ， 时 采 用 Ｃ — — ｕ复合 基 板 和铝 热 沉 效 果 最 佳 ， 结 同 ｕ Ｍｏ Ｃ 可使 Ｌ Ｄ 的结 温 降 为 ３ ６ Ｋ， 差 降 为 Ｅ ３ 温
１ｌ 。 Ｋ
关键词 ： 封装
温度场
材 料优 化
中 图分 类 号 ：ＴＮ３ ６
０ 前
电子 封装 技术 在 Ｌ Ｄ（ ｇ ｔｅ ｔｎ ｉｄ ） 的应 Ｅ １ ｈ— ｍｉｉｇ ｄｏ ｅ 中 ｉ ｔ
用 非 常 广泛 …， 功率 Ｌ Ｄ照 明是 近 几 年来 研 究 应 用 大 Ｅ 的热 点 之一 ， 随着 大功 率 Ｌ Ｄ芯片 的制 备成 功后 ， 大 Ｅ 大 提 高 了其 在 照 明领 域 的应用 潜力 。 白光 Ｌ Ｄ具 有无 污 Ｅ 染 、 光效 率高 、 发 寿命 长 、 电压工 作 等 突 出优 点 ． 内 低 国
法 与封 装材 料 。简 单 的增 大 发光 面 积无 法 解决 根本 的 散 热 问题 和取 光 问题 ，因此 也 就无 法 达到 预期 的光通 量 和实 际应用 效果 。过去 Ｌ Ｄ 的应 用 只是在 指示 灯 的 Ｅ
未来 １ ～ ０年 内将 逐步 取 代 白炽灯 、 ０２ 荧光 灯 和节 能 灯 ，
上
u
。
其 中 灯 罩 内部 固 定
，
。
id B
o a r
d )板
，
由于 灯罩材料导 热性很 差
由图
罩 324 K
。
3 可
知 L E D 芯 片部 分稳 态 温 度 为 4 0 9
，
K
．
灯
，
它 和 P CB 板 基 本不 参与散 热 ； 芯 片模块 位 于 陶瓷基 板
王 春 青
李 焕 然
摘 要 针 对一 种 大 功率 白光 Ｌ Ｄ照 明 灯 具 的 封 装 构 件 进行 热分 析 ．通 过 有 限元 计 算 分 析 其 在 工 作 状 态 时 Ｅ
的稳 态 温 度 场 ， 现 Ｌ Ｄ封 装 整 体 的 温 度 梯 度 比较 大 ， 时 Ｌ Ｄ 芯 片 的 温 度 为 ３ ６ Ｋ， 罩 为 ３ ０ Ｋ。通 过 实 发 Ｅ 此 Ｅ ９ 灯 ２
。
因此 对 大功率
，
LED
芯 片 的封 装 设
计和材 料优化更 显 得 尤 为重 要
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有 限 元模 型 的建 立
图 2
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而 对封装结 构温 度 的实 际 测 量 比较 困难
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应用 于 家用 普通 照 明 领域 ．并 开 始应 用 于 汽车 前照 大
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功率 Ｌ Ｄ 制 作要 能可 靠稳定 发 光并应 用 于市场 ， 就 Ｅ 这 是封装 要解 决 的关键 问题 。
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每
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，
而在往后 的
十 年 内 预 计亮 度 可 再 提 升 20 倍 随着功 率 的大 幅度
升高 PN 节 点 的产热 也 大大 的提高
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直接 影 响到 L E D 的工 作温 度 发 光 效率 发 光 光谱 使
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自然 对 流 散 热 不 考 虑 材 料 之 间 的 接 触 热 阻 认 为 它 们
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计 算结 果 与分 析 封装结 构 温 度 场分析 在考 虑 灯 罩 的稳 态 情 况
，
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非 常大 为此 实际 分 析 L E D 封装 结构 的温 度 场 时通 常
采 用 数 值 模 拟 的 方 法 [6 ] 作 为 文 中 研 究 对 象 的 高 功 率 白
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由灯 罩 外 表 面 向 空 气 中
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俘 掳 专家论坛
．一
大 功率 白光 Ｌ Ｅ Ｄ封装 温度 场模 拟及材 料优 化
现 代 焊 接 生 产技 术 国 家重 点 实验 室哈 尔滨 工 业 大 学 （５ ０ １ １０ ０ ）
哈 尔 滨 工 业 大 学 （ 威 海 ） 材 料 学 院 （６ ２ ９ ２４０ ）
际 测 量计 算 得 出 Ｌ Ｄ 的结 温 为 ３４５ Ｋ， 数 值 模 拟 的结 果 基 本 吻 合 。封 装 陶瓷 基 板 是 阻 碍 器件 散热 的主 要 部 Ｅ ９． 与
分 。 此 ， 出 了几 种 优 化 方 案 ， 别是 采 用 不 同 的 Ｌ Ｄ封 装 材 料 以及采 用 不 同 的 铝热 沉 结 构 尺 寸 ， 且 进 行 了 为 提 分 Ｅ 并
收稿 日期 ：２ ０ 一 ４ ２ ０８ｏ—４２ຫໍສະໝຸດ ２０ ０ ８年第 ６期
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专 家论 坛
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领 域 其 封 装 散 热 从 来 就 不 是 问题 但 近 年来 L E D 的 功
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30
多 年 的发 展 中 L E D
外 光 电 、 明 、 导 体 以及 能 源 等 领 域 的人 士 ， 照 半 已经 看
到 了大 功率 白光 Ｌ Ｄ未来 的 巨大市 场价 值 ，纷 纷 大力 Ｅ
争 夺 占领 这块 市场 。专 业 人 士预 测 白光 Ｌ Ｄ光源 在 Ｅ
并不 能 简 单地 套 用传 统 的小 功率 Ｌ Ｄ 器 件 的封装 方 Ｅ
大 功 率 Ｌ Ｄ 单 芯 片 的 功 率 等 于 若 干 个 小 功 率 Ｅ Ｌ Ｄ 的总 和 ， 电线 路相 对 简 单 ， 热 结构 完 善 ， 理 Ｅ 供 散 物 特 性稳 定 ｜。在完 成大 芯 片制作 后 ， 临着 如何将 大 芯 ４ 』 面
片进行 封装 的挑 战 。 于大 功率 Ｌ Ｄ 器 件 的封装方 法 对 Ｅ
模 拟 对 比。 果 表 明 ， 时 采 用 Ｃ — — ｕ复合 基 板 和铝 热 沉 效 果 最 佳 ， 结 同 ｕ Ｍｏ Ｃ 可使 Ｌ Ｄ 的结 温 降 为 ３ ６ Ｋ， 差 降 为 Ｅ ３ 温
１ｌ 。 Ｋ
关键词 ： 封装
温度场
材 料优 化
中 图分 类 号 ：ＴＮ３ ６
０ 前
电子 封装 技术 在 Ｌ Ｄ（ ｇ ｔｅ ｔｎ ｉｄ ） 的应 Ｅ １ ｈ— ｍｉｉｇ ｄｏ ｅ 中 ｉ ｔ
用 非 常 广泛 …， 功率 Ｌ Ｄ照 明是 近 几 年来 研 究 应 用 大 Ｅ 的热 点 之一 ， 随着 大功 率 Ｌ Ｄ芯片 的制 备成 功后 ， 大 Ｅ 大 提 高 了其 在 照 明领 域 的应用 潜力 。 白光 Ｌ Ｄ具 有无 污 Ｅ 染 、 光效 率高 、 发 寿命 长 、 电压工 作 等 突 出优 点 ． 内 低 国
法 与封 装材 料 。简 单 的增 大 发光 面 积无 法 解决 根本 的 散 热 问题 和取 光 问题 ，因此 也 就无 法 达到 预期 的光通 量 和实 际应用 效果 。过去 Ｌ Ｄ 的应 用 只是在 指示 灯 的 Ｅ
未来 １ ～ ０年 内将 逐步 取 代 白炽灯 、 ０２ 荧光 灯 和节 能 灯 ，
上
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其 中 灯 罩 内部 固 定
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id B
o a r
d )板
，
由于 灯罩材料导 热性很 差
由图
罩 324 K
。
3 可
知 L E D 芯 片部 分稳 态 温 度 为 4 0 9
，
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．
灯
，
它 和 P CB 板 基 本不 参与散 热 ； 芯 片模块 位 于 陶瓷基 板
王 春 青
李 焕 然
摘 要 针 对一 种 大 功率 白光 Ｌ Ｄ照 明 灯 具 的 封 装 构 件 进行 热分 析 ．通 过 有 限元 计 算 分 析 其 在 工 作 状 态 时 Ｅ
的稳 态 温 度 场 ， 现 Ｌ Ｄ封 装 整 体 的 温 度 梯 度 比较 大 ， 时 Ｌ Ｄ 芯 片 的 温 度 为 ３ ６ Ｋ， 罩 为 ３ ０ Ｋ。通 过 实 发 Ｅ 此 Ｅ ９ 灯 ２