电极结构及COB封装影响LED芯片光、热、电性能的仿真研究

发布时间：2017-04-03 13:00

  本文关键词：电极结构及COB封装影响LED芯片光、热、电性能的仿真研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：发光二极管(LED)因体积小、寿命长、耗能低等一系列优点而被广泛应用。但随着LED功率的不断增大,芯片电流拥挤、结温过高严重影响LED的发光效率及可靠性。一些实验结果表明:优化电极结构和采用COB(Chip On Board,板上芯片封装技术)可以缓解电流拥挤、提高电流注入率,或降低LED芯片结温,增强发光效率,延长LED的使用寿命,从而提高器件可靠性。但电极结构和COB封装结构如何优化,优化的效果如何,有必要首先从理论上进行仿真模拟,以提高实验工作的针对性。为此,本文采用COMSOL多物理场有限元仿真软件,依据芯片电流扩展理论,分别模拟了插齿电极、石墨烯/氧化镍透明复合电极、COB封装中金属基板反射杯结构、多芯片排布方式对Ga N-LED芯片电、热性能的影响;并采用Tracepro光线追踪软件仿真了COB封装中反射杯结构、多芯片排布方式对LED出光性能的影响,并制作了反射杯进行COB封装后,对模拟结果进行了实验验证。主要结果如下:1)发现p-pad插入型比n-pad插入型电极更利于LED芯片电流的均匀扩展;适当增加电极长度和插齿数,利于电流横向扩展更均匀,但插齿数超过3以后,对横向电流扩展的增强作用不明显。2)石墨烯/氧化镍薄膜复合透明电极可有效地缓解芯片(175μm×225μm)的电流拥挤和降低结温。以3层石墨烯和1 nm氧化镍的复合电极性能最优:复合电极透光率约为90%,比仅用石墨烯(最优厚度4层)透明电极相比,结温降低4.8 K,电流密度分布均匀度提高11%。在3层石墨烯和1 nm氧化镍复合电极基础上,优化电极结构,进一步提高了LED的散热性能:当电极结构p/n-pad尺寸为芯片尺寸的0.8倍,p-pad掩埋深度为40 nm,n-pad电极与有源层刻蚀距离为4μm时,芯片结温比p/n-pad尺寸为芯片0.4倍时,降低7 K。3)LED芯片COB封装基板反射杯结构优化的结果表明:当反射杯杯口直径为3.0mm,杯底直径为1.6 mm,杯深度为0.6 mm时,输出光效率为48.36%,与无反射杯COB封装相比,输出光效率提高了20%,光辐照角度减小为85度,辐照强度增加了1倍,该结果得到封装测试验证。同时结构力学仿真计算得出反射杯结构对硅胶热应力应变影响很小。铝质基板的热阻仅比铜质基板的热阻只高2.85℃/W,出于经济和成本考虑,建议优先选用铝基板反射杯进行COB封装。4)将COMSOL焦耳热模块和结构力学模块耦合,仿真计算了COB封装情况下,LED芯片、硅胶、固晶胶、衬底热应力、应变随反射杯结构参数、固晶胶厚度、固晶胶热导率、衬底厚度、衬底热导率和芯片功率的变化情况,结果表明:LED内最大应力出现在透镜与基板的连接处;反射杯的结构对硅胶热应力、应变影响很小;固晶胶厚度为40μm,固晶胶热应力为500 MPa;当固晶胶热导率大于13 W/m×k后,芯片结温降低趋势平缓。从蓝宝石、硅、碳化硅三种衬底厚度对热应力和芯片结温影响分析,衬底选用厚度100μm以下的硅材料为最好。5)模拟研究了排布方式和芯片间距对9颗、16颗LED芯片阵列结温和出光性能的影响,发现:9颗芯片封装排布以单环分布结温最低,16颗芯片封装排布以6+10双环分布结温最低;9颗LED时,3×3阵列、3+6双环、单环三种排布方式下出光性能基本相同;16颗LED情况下:4小聚型排布的光照强度小,辐照范围广,半高宽101度,4×4阵列、16颗芯片围成单环、6+10双环排布三种排布封装的辐照角度半高宽为84度,其中6+10双环分布辐照强度最大,配光曲线效果最好。
【关键词】：GaN-LED 结温 电流扩展 热阻 有限元仿真
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN312.8
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 绪论10-22
• 1.1 引言10-11
• 1.2 LED工作原理及散热问题简介11-13
• 1.2.1 LED工作原理11-12
• 1.2.2 LED散热问题简介12-13
• 1.3 LED的仿真与COMSOL软件13-15
• 1.3.1 LED的仿真13-14
• 1.3.2 有限元仿真模拟方法与步骤14-15
• 1.4 LED仿真模拟国内外研究现状15-18
• 1.4.1 LED仿真模拟国内外现状15-16
• 1.4.2 LED芯片电极结构仿真设计16-18
• 1.5 LED芯片COB封装简介18-19
• 1.6 课题研究意义和内容19-22
• 1.6.1 研究目的及意义19-20
• 1.6.2 研究内容20-22
• 2 LED芯片电极结构优化22-32
• 2.1 引言22
• 2.2 LED芯片电流扩展、温度场分析理论22-25
• 2.2.1 LED芯片电流扩展理论22-24
• 2.2.2 LED芯片温度场稳态模拟热分析理论24-25
• 2.3 LED芯片插齿电极热设计25-31
• 2.3.1 传统电极温度场模拟25-28
• 2.3.2 插齿电极长度对芯片温度场影响28-29
• 2.3.3 电极插齿数量对芯片温度和光效的影响29-31
• 2.4 本章小结31-32
• 3 LED芯片应用石墨烯透明电极热、电仿真优化32-40
• 3.1 引言32
• 3.2 LED芯片热、电建模32-34
• 3.3 基于石墨烯透明电极LED芯片模拟分析34-35
• 3.4 不同厚度组合石墨烯/氧化镍复合透明电极LED芯片的热、电性能35-38
• 3.5 本章小结38-40
• 4 LED芯片COB封装光热仿真研究40-64
• 4.1 引言40
• 4.2 LED芯片COB封装温度场模拟40-44
• 4.2.1 LED温度场仿真模拟原理40-41
• 4.2.2 LED芯片COB/SMT封装结构热阻分析41-44
• 4.3 基于反射杯的金属基板的COB封装44-49
• 4.3.1 金属基板反射杯优化44-46
• 4.3.2 反射杯的制作与金属基板上LED芯片的COB封装46-47
• 4.3.3 LED芯片的光通量和结温的测试47-49
• 4.4 COB封装热应力分析49-56
• 4.4.1 透镜和硅胶的热应力计算49-52
• 4.4.2 固晶胶厚度对其热应力影响52-53
• 4.4.3 芯片衬底厚度对其热应力的影响53-54
• 4.4.4 功率对芯片和固晶胶热应力的影响54-56
• 4.5 多芯片COB封装光、热性能仿真56-62
• 4.5.1 多芯片模组热性能仿真56-57
• 4.5.2 排布方式和间距对9颗LED芯片阵列结温的影响57-59
• 4.5.3 排布方式和间距对16颗LED芯片阵列结温的影响59-60
• 4.5.4 多芯片配光效果仿真60-62
• 4.6 本章小结62-64
• 5 结论和展望64-68
• 5.1 主要结论64-65
• 5.2 本文创新点65
• 5.3 后续工作及展望65-68
• 致谢68-70
• 参考文献70-76
• 附录76-78
• A．作者在攻读学位期间发表的论文76
• B．作者在攻读学位期间参加的科研项目76-77
• C．半导体模拟（非辐射复合和光跃迁）设定77-78

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本文编号：284327