第28卷增半導(dǎo)體學(xué)報Ⅴol28 Supplement2007年9月CHINESE JOURNAL OF SEMICONDUCTORSSep.,2007功率型倒裝結(jié)構(gòu)LED系統(tǒng)熱模擬及熱阻分析王立彬′劉志強陳字伊嘵燕馬龍潘領(lǐng)峰王良臣中園科學(xué)院半導(dǎo)體研究所,北京100083摘要:為了了解功率型倒裝結(jié)構(gòu)LED系統(tǒng)各部分熱阻,找出LED系統(tǒng)散熱關(guān)鍵,對功率型倒裝結(jié)構(gòu)LED系統(tǒng)進行了有限元熱模擬同時結(jié)合傳熱學(xué)基本原理分析了各部分的熱阻結(jié)果表明,LED系統(tǒng)中凸點,Si- submount管殼和散熱體的自身熱阻較小而芯片、粘結(jié)劑散熱體環(huán)境的熱阻較大,占系統(tǒng)熱阻主要部分因此優(yōu)化設(shè)計芯片與散熱體選取導(dǎo)熱率高的粘結(jié)劑,可以有效降低LED系統(tǒng)的熱阻,成為LED系統(tǒng)散熱設(shè)計的關(guān)鍵關(guān)鍵詞:OaN;LED;熱模擬;熱阻;有限元PACC:4280L;4225B;7280E中圖分類號:TN312.8文獻標(biāo)識碼:A文章編號:0253-4177(2007)S0-0504-05中.其中各接觸界面設(shè)為理想接觸界面,即不考慮界1引言面熱阻.模擬軟件為 ANSYS10,三維模擬倒裝結(jié)構(gòu)的LED芯片與 Si-submount通過凸與傳統(tǒng)的白熾燈相比,白光LED具有節(jié)能、環(huán)點連接,如圖2所示.在模擬中,凸點的分布如圖3保發(fā)光效率高、顯色指數(shù)高、響應(yīng)速度快體積小和所示,管殼采用r×0.32cm2×0.1cm鋁制圓柱體材工作壽命長等突出優(yōu)點,被視為新一代的照明光源,料,散熱體采用πX1.62cm2×0.45cm銅質(zhì)圓柱體成為近年來的研究熱點~3.歐美日韓等國家和地材料邊界條件為:與空氣對流系數(shù)設(shè)為5,散熱體區(qū)都制定了相應(yīng)的發(fā)展計劃,投入巨資進行相關(guān)技黑度為0.5,環(huán)境溫度為25℃術(shù)研究我國也于2003年啟動了“國家半導(dǎo)體照明工程”GaN基功率型倒裝結(jié)構(gòu)LED是目前研究熱點由于其產(chǎn)生的熱量很大,如果LED至環(huán)境的總熱阻過高,就會造成芯片結(jié)溫過高,過高的結(jié)溫將引起器件光衰,降低使用壽命,甚至直接造成器件損壞(6.因此,降低熱阻是功率型倒裝結(jié)構(gòu)LED的關(guān)鍵技術(shù)之本文對功率型倒裝結(jié)構(gòu)LED系統(tǒng)及構(gòu)成系統(tǒng)的各部分進行了有限元三維模擬,并對模擬結(jié)果進圖I功率型LED模型圖行了分析,指出了系統(tǒng)中各組成部分熱阻大小,確定Fig 1 Model of high power LED了降低LED系統(tǒng)熱阻的主要有效途徑2熱模擬Sapphire功率型LED模型如圖1所示,芯片尺寸為10T→lmm×1mm利用有限元模擬分析方法對倒裝結(jié)構(gòu)的LED進行熱場模擬,設(shè)芯片產(chǎn)熱功率為1W,由于封裝用的環(huán)氧樹脂熱導(dǎo)率只有0.2W/(m·K)Si-submount在這里作絕熱處理,熱量通過傳導(dǎo)由芯片到管殼和散熱體,最終通過對流、輻射或熱傳導(dǎo)釋放到環(huán)境TH中國煤化工圖中,本文模擬假設(shè)最終通過對流、輻射傳遞至環(huán)境CNMHGlipchip LEDt通信作者 Email:lawang@red.semi.ac,cn2006-12-15收到,20070104定稿⊙2007中國電子學(xué)會增刊王立彬等:功率型倒裝結(jié)構(gòu)LED系統(tǒng)熱模擬及熱阻分析圖3凸點在芯片上分布圖6凸點溫度場分布Fig 3 Distribution of bumps on chipFig 6 Temperature field of bumps模擬結(jié)果如圖4~10所示圖4為整個LED系統(tǒng)的溫度場分布,圖5~10為各個部分的溫度場分布.由于凸點與兩側(cè)的部分面積差異很大,與之接觸部分溫度分布并不均勻?qū)τ趯嶋H應(yīng)用中的LED系統(tǒng)而言,其總熱阻為Ra=R若片+R凸點+ Rskabnount+R熱粘結(jié)劑+RaR熱沉環(huán)境圖7Si- submount溫度場分布其中Φ為熱流量,此處為1W;△T為溫度差;Rig. 7 Temperature field of Si-submount圖8導(dǎo)熱脂溫度場分布Fig 8 Temperature field of adhesive圖4LED系統(tǒng)溫度場分布Fig 4 Temperature field of LED system9管殼溫度場分布rV中國煤化工of caseCNMHG圖5有源區(qū)溫度場分布寸各層的溫度功分布開個均勻,相鄰部分的Fig 5 Temperature field of active region溫度會有重疊部分,各層△T采用該層最高溫度與半導(dǎo)體學(xué)報第28卷管殼的熱阻:R=1×10-3/(x(0.003)2×240)0.44C/計算結(jié)果比模擬結(jié)果小,這主要由于計算簡化為一維熱傳導(dǎo)所致,由于相鄰部分的面積差別很大模擬中是三維熱傳導(dǎo)所致總體來說,由于凸點,Sisubmount其熱導(dǎo)率高,材料厚度很小,其熱阻很小;而管殼厚度較大,但其傳熱面積比較而言大很多,所以其熱阻很小,散熱體也如此圖10散熱體溫度場分布粘結(jié)劑模擬中采用的是導(dǎo)熱脂,其熱阻為:Fig 10 Temperature field of heat-sinkR=20×106/(1.2×10-3)2×1)=138℃/W下一層最高溫度之差.表1為根據(jù)模擬結(jié)果計算的與模擬結(jié)果很接近,這主要由于導(dǎo)熱脂與Si各部分溫差與熱阻各圖放大倍數(shù)不盡相同submount面積相同,并且其厚度很小,十分接近維熱傳導(dǎo),這從熱模擬圖中也可以看出.其熱阻較3芯片-散熱體熱阻大,主要是熱導(dǎo)率十分小,只有1W/(m·K)因此改換導(dǎo)熱率更高的粘結(jié)劑可以有效降低其熱阻.目從表1中可以看出,總熱阻為80.596c/W,散前,采用金屬化粘結(jié)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的導(dǎo)熱脂逐漸成為主熱體環(huán)境的熱阻為53.717℃/W,占了大部分,芯流,其中金屬共晶焊優(yōu)勢明顯,成為各LED封裝廠片散熱體的熱阻為26.879℃/W.芯片至散熱體部家的技術(shù)新寵,如Au2oSns熱導(dǎo)率達到57W/(分凸點, i-submount,管殼和散熱體的熱阻很小;而·℃)其熱阻為:芯片和粘結(jié)劑部分熱阻相對較大R=20×106/(1.2×103)2×57)對于熱傳導(dǎo):=0.242C/WRAk因此,金屬共晶焊可以有效降低器件熱阻芯片的熱阻較大,由于芯片中的熱量必須經(jīng)由其中A為傳熱面積;d為傳熱距離;k為材料熱凸點向外傳導(dǎo),對每個凸點而言,與之接觸的芯片存導(dǎo)率在一個特定的區(qū)域,在這個區(qū)域產(chǎn)生的熱量將全部顯然,熱導(dǎo)率越高熱阻越低,傳熱面積越大傳熱傳導(dǎo)至該凸點,并經(jīng)由該凸點向外傳導(dǎo)因此每個凸距離越小,即材料厚度越小熱阻越低點所擁有的這個特定區(qū)域越大,芯片的熱阻也就越表1各部分溫差、熱阻與對應(yīng)的材料及其熱導(dǎo)率大圖11為不同的凸點半徑及其擁有的這個特定區(qū)Table 1 Thermal resistance, thermal conductivity域距離凸點的最大距離,至凸點邊緣對應(yīng)的溫差,該difference in temperature of different parts of LED溫差略小于芯片最大溫差最大溫差與芯片的熱阻system關(guān)系如表1所示溫差℃熱導(dǎo)率/(c/w)材料/w/(mK7.3297.329GaN2493172.3772.377145粘結(jié)劑1414914149導(dǎo)熱脂散熱體041404散熱體環(huán)境53.71753芯片散熱體2687926879總熱阻8059680596根據(jù)公式計算熱阻:z/μum凸點的熱阻(假設(shè)每個凸點的熱流量相同):R中國煤化工歌大溫惹=20×10-6/(x(40×106)2×317×19)=0.66c/CNMHcure of LED chipSi-submount的熱阻:R=200×10-6/((1.2從圖11中可以看出,r越小,對應(yīng)的△T越大10-3)2×145)=0.96℃/W越大,對應(yīng)的△T越小;r一定時,距離凸點的最增刊王立彬等:功率型倒裝結(jié)構(gòu)LED系統(tǒng)熱模擬及熱阻分析大距離越大,△T越大從圖5可以看出,距離凸點散熱所占比例仍然有15%.因此,輻射散熱在通常最遠的區(qū)域溫度明顯高于其他區(qū)域.設(shè)計時應(yīng)避免情況下不可忽略,提高散熱體的黑度,能夠有效提高芯片局部區(qū)域與凸點的距離過大,同時凸點半徑可散熱體散熱效率,降低系統(tǒng)熱阻.散熱體面積越小,盡量大些.因此凸點自身熱阻雖然不大,但凸點的其表面溫度越高,由于熱輻射換熱是高度非線性的,大小與分布卻對芯片的熱阻影響很大熱輻射換熱所占比例越大;反之,熱輻射換熱所占比例越小散熱體-環(huán)境熱阻5結(jié)論散熱體自身的溫差很小(見表1與圖10),因此,可近似認為散熱體外表面溫度均勻散熱體與環(huán)通過對LED系統(tǒng)的有限元熱模擬及熱阻分析境的熱交換在此處假定只有對流與熱輻射,總熱流可知,LED系統(tǒng)中凸點,Si- submount管殼和散熱體量可按下式計算的自身熱阻較小,而芯片、粘結(jié)劑、散熱體環(huán)境的熱①=Φ+Φn阻較大,占系統(tǒng)熱阻主要部分.因此,優(yōu)化設(shè)計芯片Φ。=a:(Tw-Ta)A與散熱體,選取導(dǎo)熱率高的粘結(jié)劑,可以有效降低φ1=ECb(T-Tl)ALED系統(tǒng)的熱阻式中φ為對流換熱量;a為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù);Φ為輻射換熱量;e為輻射率(黑度);Cb為斯蒂芬波爾參考文獻茲曼常數(shù),約為5.67×108W/(m2·K4);A為面積;T。為輻射面的絕對溫度;T為環(huán)境絕對溫度[1] Schubert E F. Light-emitting diodes. New York:Cambridge由上式可以看出,包含熱輻射的熱分析是高度非線[2] Steigerwald D A, Bhat JC, Collins D C, et al. Illumination性的with solid state lighting technology. IEEE J Sel Topics Quan-由對流與輻射公式可以看出,增加對流面積與tum Electron, 2002,8: 310輻射有效面積可以提高散熱效率,降低散熱體環(huán)境[3] Craford M G, Visible LED; t the trend toward high-power e-熱阻將數(shù)值帶入以上3個方程式,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,即散熱體表面溫度ting diodes. Proc IEEE Int Soc Con Thermal Phenomen得到散熱體表面溫度為79.1C,與模擬結(jié)果接近,計算輻射散熱量為0.44W,占總熱量的44%,因[6] Adachi S Properties of group-IV, Ill-V and II-VI semicon此在有效熱輻射面積與對流面積接近時輻射換熱[7]xYa, Heat transfer. Beijin;, Chinese Electric Power所占比例非常高Pres1999 in Chinese)[夏雅君傳熱學(xué).北京:中國電力出若有效熱輻射面積為對流面積的20%時,輻射版社,1999中國煤化工CNMHG半導(dǎo)體學(xué)報第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中國煤化工CNMHGt Corresponding author. Email; lbwang @red semiac cnReceived 15 December 2006, revised manuscript received 4 January 2007@2007 Chinese Institute of Electronics