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1、 编号：毕业设计说明书题 目： 大功率LED器件的封装 结构优化设计 题目类型：理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发摘 要本文以某大功率LED为背景，在查阅国外大量文献的基础上，经过对各种参数化建模和优化技术方法的探索和研究，提出了直接在有限元平台上利用APDL语言进行其温度场和应力场分析的基础上，对该LED结构参数优化设计。本文中，针对一种功率半导体器件大功率LED照明灯具的封装与组件进行散热设计，通过有限元模型，分析其在工作状态时的稳态温度场分布，发现LED封装整体的温度梯度比较大，而封装瓷基板和热沉基座是阻碍器件散热的主要部分。为此，提出几种LED的优化方案，并进行了简单分析。本
2、文的优化设计可从三个方面对所选用的LED进行封装结构优化设计：第一种情况：优化目标为芯片温度，约束条件为各尺寸的围，在第7次达到优化。由最佳优化系列可以看出，芯片的最高温度已降至56.399，比优化前降低了将近20%。第二种情况：优化目标为结构重量。对结构重量优化时，约束条件为各尺寸的围，状态变量取芯片温度。经过13次后收敛，在第10次时最优，重量值为8.1873g；第三种情况：优化目标为Von Mises应力，当优化目标为封装应力时，约束条件取各尺寸围，状态变量分别为芯片温度和结构重量，在达到最优时，最大应力为50.052MPa，降幅达11.3%。关键词：大功率LED；散热；有限元模拟；AN
3、SYS；结构优化AbstractThe method of 3D Parametric-modeling by APDL language is pointed out for some LED in this paper.This work is based on a lot of references and many theories about parametric modeling,and structural optimization.Furthermore,the structural optimization for the LED is finished after a se
4、ries of work including the analysis of the temperature gradient and the stress gradient. In this paper, the thermal analysis of package products in a high-power white LED light fitting was investigated in this paper.According to the FEM calculation,the static temperature field in the working process
5、 was analyzed.The temperature gradient in the LED package structure was found.Ceramic substrate and heat-sink base were considered as the main part to block heat dissipation.Therefore,several optimization designs of LED were put forward,and their simulation results were analyzed simply.The optimizat
6、ion of this article can be chosen from the three aspects of the LED package structure for optimal design.The first kind of circumstances:the objective function was chip temperature,and constraint condition was each size range.There was the optimization in the seventh time.From the best series,it can
7、 be seen that the highest temperature of chip has fallen to 56.399 degrees Celsius than before, and optimized nearly 20% lower.The second kind of circumstances:the objective function was weight of structure.When optimizing weightof structure,constraint condition was also each size and the chip tempe
8、rature was taken state variables. After 13 times, it achieved to convergence.There was the optimal in the first 10 times,weight values was 8.1873g.The third kind of circumstances:the objective function was the Von Mises stress.When optimization objective was packaging stress, constraint condition wa
9、s the size range and state variables were respectively weight of structure and temperature of chip. The maximum stress was50.052MPa and was lower by 11.3% than that before the optimization.Key words: High-power LED; Thermal dissipation; FEM analysis; ANSYS; Structural optimization / 目 录引言11绪论21.1概述2
10、1.1.1课题来源21.1.2课题的提出21.1.3课题的目的和意义31.2国外大功率LED散热研究31.3市场与应用前景51.4 本文的主要研究容61.5 本章小结62 大功率LED的基础理论72.1LED的简介72.1.1LED的结构72.1.2LED的发光机制82.1.3LED的主要性能参数92.2热效应对LED的影响112.2.1LED热效应对PN结正向偏压的影响112.2.2LED热效应对发光效率的影响112.2.3LED热效应对光能量的影响122.2.4LED热效应对光色的影响122.2.5LED热效应对寿命的影响122.3本章小结123大功率LED热分析基础理论和通用软件ANSY
11、S简介133.1LED散热基础知识133.2有限元理论简介153.3通用有限元软件ANSYS介绍153.4本章小结174LED有限元模型热场仿真分析184.1LED灯具封装模型的建立184.2LED灯具封装稳态温度场与应力场分析195LED的封装结构优化设计225.1优化设计介绍225.1.1优化设计的基本概念225.1.2优化设计问题的数学表述与步骤245.2APDL参数化语言255.3大功率LED的封装结构优化设计255.3.1芯片温度最低255.3.2结构最轻265.3.3应力最小285.4本章小结296结论306.1全文总结306.2全文展望30辞31参考文献32附录34引言众所周知，
12、随着全球能源的紧缺以与全球气候变暖，在新的能源开发没有取得突破性进展的情况下，能源的节约利用成了世界各国思考的重大问题，其仅照明耗电量大约占世界电量消耗量的20%。现在通用的照明灯具的技术发展已经十分成熟，且耗电量大、发光效率低、寿命短，其发光效率与照明效果都无法再有较大程度的提升。LED照明作为一种新型、十分有发展潜力的高发光效率、环保固体发光光源应运而生。在同样亮度下，LED的电能消耗仅为白炽灯的八分之一，因此LED照明的应用将大大节约能源，同时还将减少二氧化碳的排放量。除节能与环保外，LED照明还具有响应速度快、无频闪、长寿命、无辐射、无电磁干扰、无有毒气体等优点。而且，该光源还具有体积
13、小、重量轻、免维护、易控制、使用安全、光效强，以与能适应各种恶劣条件等优点。而用于照明的高功率LED发展的瓶颈之一是器件的散热问题。目前,比较成熟的商品化功率型LED输入功率一般为1W，芯片面积为1mm1mm，其热流密度达到了100W/c。随着芯片技术的日益成熟，单个LED芯片的输入功率可以进一步提高到5W甚至更高，因此防止LED的热量累积变得越来越重要。如果不能有效地耗散这些热量，随之而来的热效应将会变得非常明显：结温升高，直接减少芯片出射的光子，取光效率降低；温度的升高会使得芯片的发射光谱发生偏移，色温质量下降，尤其是对基于蓝光LED激发黄色荧光粉的白光LED器件更为严重，其中荧光粉的转换
14、效率也会随着温度升高而降低1。因此由于温度升高而产生的各种热效应会严重影响到LED器件的使用寿命和可靠性。本文通过利用APDL进行参数化编程，进而在对所选LED进行温度场和应力场分析的基础上，从三个方面优化封装结构，从而提高白光LED器件的性能和使用寿命。对于LED取代传统光源，节约能源有重要意义，对于LED实际应用具有重要意义。本文章节分布如下：第一章 绪论 主要介绍本课题的来源、提出该课题的原因、课题的目的和意义；第二章 大功率LED的基础理论 主要介绍大功率LED的结构、发光机制、主要性能参数和热效应对其影响。第三章 大功率LED热分析基础知识和通用软件ANSYS简介 主要对ANSYS的
15、基础热分析理论知识和有限元软件ANSYS的介绍。第四章 LED有限元模型热场仿真分析 主要对所选LED建模和对LED温度场和应力场的分析，为后面的封装结构优化设计作铺垫。第五章 LED的封装结构优化设计 主要对软件ANSYS优化模块的具体运用，完成对芯片温度、结构重量和应力的优化，使LED达到合理的封装结构。1 绪论1.1 概述1.1.1 课题来源本课题来源于电子科技大学机电工程学院06级微电子制造工程专业毕业设计题目。1.1.2 课题的提出随着现代经济的飞速发展，人类可利用的资源越来越少，而照明作为日常生产生活中所不可缺少的部分，人们也越发对该能源的消耗日益重视起来。在我国，目前的照明光源主要采用白炽灯、荧光灯等传统照明光源，这些光源在能耗、寿命、环境保护等方面都有不足，为此，我国在1996年就提出了“绿色照明工程”，主要就是为了解决与照明相关的能源供应和经济效益问题。与此同时，世界各国也一直在努力寻找更新的照明光源，新型的照明光源LED（Light Emitting Diode，发光二极管）发光产品在照明和装饰领域逐渐受到世人的瞩目。LED是一种半导体固体发光器件，被认为是21世纪
