功率型倒装结构LED系统热模拟及热阻分析

第28卷增半导体学报Ⅴol28 Supplement2007年9月CHINESE JOURNAL OF SEMICONDUCTORSSep.,2007功率型倒装结构LED系统热模拟及热阻分析王立彬′刘志强陈字伊哓燕马龙潘领峰王良臣中园科学院半导体研究所,北京100083摘要:为了了解功率型倒装结构LED系统各部分热阻,找出LED系统散热关键,对功率型倒装结构LED系统进行了有限元热模拟同时结合传热学基本原理分析了各部分的热阻结果表明,LED系统中凸点,Si- submount管壳和散热体的自身热阻较小而芯片、粘结剂散热体环境的热阻较大,占系统热阻主要部分因此优化设计芯片与散热体选取导热率高的粘结剂,可以有效降低LED系统的热阻,成为LED系统散热设计的关键关键词:OaN;LED;热模拟;热阻;有限元PACC:4280L;4225B;7280E中图分类号:TN312.8文献标识码:A文章编号:0253-4177(2007)S0-0504-05中.其中各接触界面设为理想接触界面,即不考虑界1引言面热阻.模拟软件为 ANSYS10,三维模拟倒装结构的LED芯片与 Si-submount通过凸与传统的白炽灯相比,白光LED具有节能、环点连接,如图2所示.在模拟中,凸点的分布如图3保发光效率高、显色指数高、响应速度快体积小和所示,管壳采用r×0.32cm2×0.1cm铝制圆柱体材工作寿命长等突出优点,被视为新一代的照明光源,料,散热体采用πX1.62cm2×0.45cm铜质圆柱体成为近年来的研究热点~3.欧美日韩等国家和地材料边界条件为:与空气对流系数设为5,散热体区都制定了相应的发展计划,投入巨资进行相关技黑度为0.5,环境温度为25℃术研究我国也于2003年启动了“国家半导体照明工程”GaN基功率型倒装结构LED是目前研究热点由于其产生的热量很大,如果LED至环境的总热阻过高,就会造成芯片结温过高,过高的结温将引起器件光衰,降低使用寿命,甚至直接造成器件损坏(6.因此,降低热阻是功率型倒装结构LED的关键技术之本文对功率型倒装结构LED系统及构成系统的各部分进行了有限元三维模拟,并对模拟结果进图I功率型LED模型图行了分析,指出了系统中各组成部分热阻大小,确定Fig 1 Model of high power LED了降低LED系统热阻的主要有效途径2热模拟Sapphire功率型LED模型如图1所示,芯片尺寸为10T→lmm×1mm利用有限元模拟分析方法对倒装结构的LED进行热场模拟,设芯片产热功率为1W,由于封装用的环氧树脂热导率只有0.2W/(m·K)Si-submount在这里作绝热处理,热量通过传导由芯片到管壳和散热体,最终通过对流、辐射或热传导释放到环境TH中国煤化工图中,本文模拟假设最终通过对流、辐射传递至环境CNMHGlipchip LEDt通信作者 Email:lawang@red.semi.ac,cn2006-12-15收到,20070104定稿⊙2007中国电子学会增刊王立彬等:功率型倒装结构LED系统热模拟及热阻分析图3凸点在芯片上分布图6凸点温度场分布Fig 3 Distribution of bumps on chipFig 6 Temperature field of bumps模拟结果如图4~10所示图4为整个LED系统的温度场分布,图5~10为各个部分的温度场分布.由于凸点与两侧的部分面积差异很大,与之接触部分温度分布并不均匀对于实际应用中的LED系统而言,其总热阻为Ra=R若片+R凸点+ Rskabnount+R热粘结剂+RaR热沉环境图7Si- submount温度场分布其中Φ为热流量,此处为1W;△T为温度差;Rig. 7 Temperature field of Si-submount图8导热脂温度场分布Fig 8 Temperature field of adhesive图4LED系统温度场分布Fig 4 Temperature field of LED system9管壳温度场分布rV中国煤化工of caseCNMHG图5有源区温度场分布寸各层的温度功分布开个均匀,相邻部分的Fig 5 Temperature field of active region温度会有重叠部分,各层△T采用该层最高温度与半导体学报第28卷管壳的热阻:R=1×10-3/(x(0.003)2×240)0.44C/计算结果比模拟结果小,这主要由于计算简化为一维热传导所致,由于相邻部分的面积差别很大模拟中是三维热传导所致总体来说,由于凸点,Sisubmount其热导率高,材料厚度很小,其热阻很小;而管壳厚度较大,但其传热面积比较而言大很多,所以其热阻很小,散热体也如此图10散热体温度场分布粘结剂模拟中采用的是导热脂,其热阻为:Fig 10 Temperature field of heat-sinkR=20×106/(1.2×10-3)2×1)=138℃/W下一层最高温度之差.表1为根据模拟结果计算的与模拟结果很接近,这主要由于导热脂与Si各部分温差与热阻各图放大倍数不尽相同submount面积相同,并且其厚度很小,十分接近维热传导,这从热模拟图中也可以看出.其热阻较3芯片-散热体热阻大,主要是热导率十分小,只有1W/(m·K)因此改换导热率更高的粘结剂可以有效降低其热阻.目从表1中可以看出,总热阻为80.596c/W,散前,采用金属化粘结代替传统的导热脂逐渐成为主热体环境的热阻为53.717℃/W,占了大部分,芯流,其中金属共晶焊优势明显,成为各LED封装厂片散热体的热阻为26.879℃/W.芯片至散热体部家的技术新宠,如Au2oSns热导率达到57W/(分凸点, i-submount,管壳和散热体的热阻很小;而·℃)其热阻为:芯片和粘结剂部分热阻相对较大R=20×106/(1.2×103)2×57)对于热传导:=0.242C/WRAk因此,金属共晶焊可以有效降低器件热阻芯片的热阻较大,由于芯片中的热量必须经由其中A为传热面积;d为传热距离;k为材料热凸点向外传导,对每个凸点而言,与之接触的芯片存导率在一个特定的区域,在这个区域产生的热量将全部显然,热导率越高热阻越低,传热面积越大传热传导至该凸点,并经由该凸点向外传导因此每个凸距离越小,即材料厚度越小热阻越低点所拥有的这个特定区域越大,芯片的热阻也就越表1各部分温差、热阻与对应的材料及其热导率大图11为不同的凸点半径及其拥有的这个特定区Table 1 Thermal resistance, thermal conductivity域距离凸点的最大距离,至凸点边缘对应的温差,该difference in temperature of different parts of LED温差略小于芯片最大温差最大温差与芯片的热阻system关系如表1所示温差℃热导率/(c/w)材料/w/(mK7.3297.329GaN2493172.3772.377145粘结剂1414914149导热脂散热体041404散热体环境53.71753芯片散热体2687926879总热阻8059680596根据公式计算热阻:z/μum凸点的热阻(假设每个凸点的热流量相同):R中国煤化工歌大温惹=20×10-6/(x(40×106)2×317×19)=0.66c/CNMHcure of LED chipSi-submount的热阻:R=200×10-6/((1.2从图11中可以看出,r越小,对应的△T越大10-3)2×145)=0.96℃/W越大,对应的△T越小;r一定时,距离凸点的最增刊王立彬等:功率型倒装结构LED系统热模拟及热阻分析大距离越大,△T越大从图5可以看出,距离凸点散热所占比例仍然有15%.因此,辐射散热在通常最远的区域温度明显高于其他区域.设计时应避免情况下不可忽略,提高散热体的黑度,能够有效提高芯片局部区域与凸点的距离过大,同时凸点半径可散热体散热效率,降低系统热阻.散热体面积越小,尽量大些.因此凸点自身热阻虽然不大,但凸点的其表面温度越高,由于热辐射换热是高度非线性的,大小与分布却对芯片的热阻影响很大热辐射换热所占比例越大;反之,热辐射换热所占比例越小散热体-环境热阻5结论散热体自身的温差很小(见表1与图10),因此,可近似认为散热体外表面温度均匀散热体与环通过对LED系统的有限元热模拟及热阻分析境的热交换在此处假定只有对流与热辐射,总热流可知,LED系统中凸点,Si- submount管壳和散热体量可按下式计算的自身热阻较小,而芯片、粘结剂、散热体环境的热①=Φ+Φn阻较大,占系统热阻主要部分.因此,优化设计芯片Φ。=a:(Tw-Ta)A与散热体,选取导热率高的粘结剂,可以有效降低φ1=ECb(T-Tl)ALED系统的热阻式中φ为对流换热量;a为表面传热系数;Φ为辐射换热量;e为辐射率(黑度);Cb为斯蒂芬波尔参考文献兹曼常数,约为5.67×108W/(m2·K4);A为面积;T。为辐射面的绝对温度;T为环境绝对温度[1] Schubert E F. Light-emitting diodes. New York:Cambridge由上式可以看出,包含热辐射的热分析是高度非线[2] Steigerwald D A, Bhat JC, Collins D C, et al. Illumination性的with solid state lighting technology. IEEE J Sel Topics Quan-由对流与辐射公式可以看出,增加对流面积与tum Electron, 2002,8: 310辐射有效面积可以提高散热效率,降低散热体环境[3] Craford M G, Visible LED; t the trend toward high-power e-热阻将数值带入以上3个方程式,可得sPIE,2002,4776:11=+Φ[4] Sugiura L. Dislocation motion in GaN light-emitting devicesΦ=5(T-25)Aand its effect on device lifetime. J Appl Phys, 1997.81: 1633p2=0.5×5.67×108(r4-254)A[5] Arik M, Petroski J, Weaver S Thermal challenges in the future generation solid state lighting applications: light emit其中T=T,即散热体表面温度ting diodes. Proc IEEE Int Soc Con Thermal Phenomen得到散热体表面温度为79.1C,与模拟结果接近,计算辐射散热量为0.44W,占总热量的44%,因[6] Adachi S Properties of group-IV, Ill-V and II-VI semicon此在有效热辐射面积与对流面积接近时辐射换热[7]xYa, Heat transfer. Beijin;, Chinese Electric Power所占比例非常高Pres1999 in Chinese)[夏雅君传热学.北京:中国电力出若有效热辐射面积为对流面积的20%时,辐射版社,1999中国煤化工CNMHG半导体学报第28卷Thermal Simulation and Analysis of High Power Flip-ChipLight-Emitting Diode SystemWang Libin, Liu Zhiqiang, Chen Yu, Yi Xiaoyan, Ma Longand Wang lianghe(Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083, China)Abstract: In order to reduce the thermal resistance of LED system, the thermal property of high power flip-chip light-emitting diode is simulated by ANSYS10 and analyzed. The results show that the bumps. Si-submount, case and heat-sink contrib.ute little to the thermal resistance of LEd system, but the thermal resistance of chip, adhesive and heat-sink to ambient aremuch larger, should be much concerned in thermal design of LED system. So optimizing the design of LEd chip and heat.sink, choosing adhesive with high thermal conductivity can reduce the thermal resistance of LED system effectivelyKey words: finite element analysis, light-emitting diode, GaN; thermal simulation; flip-chipPACC:4280L;4225B;7280EArticle id:0253-4177(2007)S0-050405中国煤化工CNMHGt Corresponding author. Email; lbwang @red semiac cnReceived 15 December 2006, revised manuscript received 4 January 2007@2007 Chinese Institute of Electronics