功率型倒裝結構LED系統熱模擬及熱阻分析

第28卷增半導體學(xué)報Ⅴol28 Supplement2007年9月CHINESE JOURNAL OF SEMICONDUCTORSSep.,2007功率型倒裝結構LED系統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)院半導體研究所,北京100083摘要:為了了解功率型倒裝結構LED系統各部分熱阻,找出LED系統散熱關(guān)鍵,對功率型倒裝結構LED系統進(jìn)行了有限元熱模擬同時(shí)結合傳熱學(xué)基本原理分析了各部分的熱阻結果表明,LED系統中凸點(diǎn),Si- submount管殼和散熱體的自身熱阻較小而芯片、粘結劑散熱體環(huán)境的熱阻較大,占系統熱阻主要部分因此優(yōu)化設計芯片與散熱體選取導熱率高的粘結劑,可以有效降低LED系統的熱阻,成為L(cháng)ED系統散熱設計的關(guān)鍵關(guān)鍵詞:OaN;LED;熱模擬;熱阻;有限元PACC:4280L;4225B;7280E中圖分類(lèi)號:TN312.8文獻標識碼:A文章編號:0253-4177(2007)S0-0504-05中.其中各接觸界面設為理想接觸界面,即不考慮界1引言面熱阻.模擬軟件為 ANSYS10,三維模擬倒裝結構的LED芯片與 Si-submount通過(guò)凸與傳統的白熾燈相比,白光LED具有節能、環(huán)點(diǎn)連接,如圖2所示.在模擬中,凸點(diǎn)的分布如圖3保發(fā)光效率高、顯色指數高、響應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(cháng)等突出優(yōu)點(diǎn),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(lái)的研究熱點(diǎn)~3.歐美日韓等國家和地材料邊界條件為:與空氣對流系數設為5,散熱體區都制定了相應的發(fā)展計劃,投入巨資進(jìn)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(dòng)了“國家半導體照明工程”GaN基功率型倒裝結構LED是目前研究熱點(diǎn)由于其產(chǎn)生的熱量很大,如果LED至環(huán)境的總熱阻過(guò)高,就會(huì )造成芯片結溫過(guò)高,過(guò)高的結溫將引起器件光衰,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構LED的關(guān)鍵技術(shù)之本文對功率型倒裝結構LED系統及構成系統的各部分進(jìn)行了有限元三維模擬,并對模擬結果進(jìn)圖I功率型LED模型圖行了分析,指出了系統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構的LED進(jìn)行熱場(chǎng)模擬,設芯片產(chǎn)熱功率為1W,由于封裝用的環(huán)氧樹(shù)脂熱導率只有0.2W/(m·K)Si-submount在這里作絕熱處理,熱量通過(guò)傳導由芯片到管殼和散熱體,最終通過(guò)對流、輻射或熱傳導釋放到環(huán)境TH中國煤化工圖中,本文模擬假設最終通過(guò)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(huì )增刊王立彬等:功率型倒裝結構LED系統熱模擬及熱阻分析圖3凸點(diǎn)在芯片上分布圖6凸點(diǎn)溫度場(chǎng)分布Fig 3 Distribution of bumps on chipFig 6 Temperature field of bumps模擬結果如圖4~10所示圖4為整個(gè)LED系統的溫度場(chǎng)分布,圖5~10為各個(gè)部分的溫度場(chǎng)分布.由于凸點(diǎn)與兩側的部分面積差異很大,與之接觸部分溫度分布并不均勻對于實(shí)際應用中的LED系統而言,其總熱阻為Ra=R若片+R凸點(diǎn)+ Rskabnount+R熱粘結劑+RaR熱沉環(huán)境圖7Si- submount溫度場(chǎng)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導熱脂溫度場(chǎng)分布Fig 8 Temperature field of adhesive圖4LED系統溫度場(chǎng)分布Fig 4 Temperature field of LED system9管殼溫度場(chǎng)分布rV中國煤化工of caseCNMHG圖5有源區溫度場(chǎng)分布寸各層的溫度功分布開(kāi)個(gè)均勻,相鄰部分的Fig 5 Temperature field of active region溫度會(huì )有重疊部分,各層△T采用該層最高溫度與半導體學(xué)報第28卷管殼的熱阻:R=1×10-3/(x(0.003)2×240)0.44C/計算結果比模擬結果小,這主要由于計算簡(jiǎn)化為一維熱傳導所致,由于相鄰部分的面積差別很大模擬中是三維熱傳導所致總體來(lái)說(shuō),由于凸點(diǎn),Sisubmount其熱導率高,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(chǎng)分布粘結劑模擬中采用的是導熱脂,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為根據模擬結果計算的與模擬結果很接近,這主要由于導熱脂與Si各部分溫差與熱阻各圖放大倍數不盡相同submount面積相同,并且其厚度很小,十分接近維熱傳導,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,主要是熱導率十分小,只有1W/(m·K)因此改換導熱率更高的粘結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,采用金屬化粘結代替傳統的導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(chǎng)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熱導率達到57W/(分凸點(diǎn), i-submount,管殼和散熱體的熱阻很小;而·℃)其熱阻為:芯片和粘結劑部分熱阻相對較大R=20×106/(1.2×103)2×57)對于熱傳導:=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(diǎn)向外傳導,對每個(gè)凸點(diǎn)而言,與之接觸的芯片存導率在一個(gè)特定的區域,在這個(gè)區域產(chǎn)生的熱量將全部顯然,熱導率越高熱阻越低,傳熱面積越大傳熱傳導至該凸點(diǎn),并經(jīng)由該凸點(diǎn)向外傳導因此每個(gè)凸距離越小,即材料厚度越小熱阻越低點(diǎn)所擁有的這個(gè)特定區域越大,芯片的熱阻也就越表1各部分溫差、熱阻與對應的材料及其熱導率大圖11為不同的凸點(diǎn)半徑及其擁有的這個(gè)特定區Table 1 Thermal resistance, thermal conductivity域距離凸點(diǎn)的最大距離,至凸點(diǎn)邊緣對應的溫差,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℃熱導率/(c/w)材料/w/(mK7.3297.329GaN2493172.3772.377145粘結劑1414914149導熱脂散熱體041404散熱體環(huán)境53.71753芯片散熱體2687926879總熱阻8059680596根據公式計算熱阻:z/μum凸點(diǎn)的熱阻(假設每個(gè)凸點(diǎn)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,對應的△T越大10-3)2×145)=0.96℃/W越大,對應的△T越小;r一定時(shí),距離凸點(diǎn)的最增刊王立彬等:功率型倒裝結構LED系統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(diǎn)散熱所占比例仍然有15%.因此,輻射散熱在通常最遠的區域溫度明顯高于其他區域.設計時(shí)應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域與凸點(diǎn)的距離過(guò)大,同時(shí)凸點(diǎn)半徑可散熱體散熱效率,降低系統熱阻.散熱體面積越小,盡量大些.因此凸點(diǎn)自身熱阻雖然不大,但凸點(diǎn)的其表面溫度越高,由于熱輻射換熱是高度非線(xiàn)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結論散熱體自身的溫差很小(見(jiàn)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(guò)對LED系統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系統中凸點(diǎn),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、粘結劑、散熱體環(huán)境的熱①=Φ+Φn阻較大,占系統熱阻主要部分.因此,優(yōu)化設計芯片Φ。=a:(Tw-Ta)A與散熱體,選取導熱率高的粘結劑,可以有效降低φ1=ECb(T-Tl)ALED系統的熱阻式中φ為對流換熱量;a為表面傳熱系數;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,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(xiàn)[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-熱阻將數值帶入以上3個(gè)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(shí)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(shí),輻射版社,1999中國煤化工CNMHG半導體學(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