1. 研究背景

能源紧缺问题的日益突出使得半导体照明成为目前最具发展前景的高技术领域之一。以光发射二极管（LED）为典型代表的冷光源元器件的重要性和市场空间也更加显著。然而，基于目前半导体制造技术，输入电能的 70%~80%转变成为无法借助辐射释放的热量，而且LED芯片尺寸很小，如果散热不良，则会使芯片温度升高，引起热应力分布不均、芯片发光效率降低、荧光粉激射效率下降，加速器件的老化，一旦芯片温度超过最高临界温度，就会烧坏芯片，致使LED永久失效。据文献报导，LED在30℃下工作的寿命比在70℃下工作长20倍。因此，散热技术是LED设计中的关键技术之一。国内外诸多器件研究者和制造者已经对LED的散热问题做出了很多的努力，他们通过对芯片外延结构、封装结构、局部热沉的材料和尺寸等参数的优化改善LED散热性能，已取得一定研究成果。

ANSYS软件是美国ANSYS公司开发，在CAE（Computer Aided Engineering）行业领先的有限元分析软件。其集结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。程序可以处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射，热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。

本课题拟根据现有研究，以目前市面销售的典型LED为分析对象，利用ANSYS有限元软件模拟LED周围的温度场分布，系统地分析封装结构对LED散热的影响。

2. 国内外研究现状

为了改善LED芯片本身的散热，其最主要的改进就是采用导热更好的衬底材料。早期的LED只是采用Si硅作为衬底。后来就改为蓝宝石作为衬底，国内一般采用的是蓝宝石作为衬底。但是蓝宝石衬底的导热性能不是太好，为了改善衬底的散热，美国Cree公司采用碳化硅硅衬底，它的导热性能要比蓝宝石高将近20倍。而且蓝宝石要使用银胶固晶，而银胶的导热也很差。而碳化硅的唯一缺点是成本比较贵。

采用碳化硅作为基底以后，的确可以大为改善其散热，但是其成本过高，而且有专利保护。最近国内的厂商开始采用硅材料作为基底。因为硅材料的基底不受专利的限制。而且性能还优于蓝宝石。唯一的问题是GaN的膨胀系数和硅相差太大而容易发生龟裂，解决的方法是在中间加一层氮化铝（AlN）作缓冲。

LED芯片封装以后，从芯片到管脚的热阻就是在应用时最重要的一个热阻，一般来说,芯片的接面面积的大小是散热的关键，对于不同的额定功率，要求有相应大小的接面面积。Cree公司的LED的热阻因为采用了碳化硅作基底，要比其他公司的热阻至少低一倍。最近台湾的钻石科技开发出了钻石岛外延片做为生产超级LED的基材。这种LED的热阻可以低至lt;5#176;C/W。用它制成的超级LED可发出极强的紫外光，其强度不因高温而降低，反而会更亮。

为解决LED 散热问题，国内外软件研发人员开发了多种模拟软件对器件性能进行模拟，模拟结果对生产实践起到了巨大的作用。这些软件主要包括EFD (Event Forwarding Discrimination)，SolidWorks，flotherm，Icepak，Ansys系列。其中Ansysy由于其各方面优势都比较明显而成为一种常用的热分析模拟软件。

3. 发展过程及发展趋势

早期单芯片LE D的功率不高，发热量有限，热的问题不大，因此其封装方式相对简单。但近年随着LED材料技术的不断突破，LED的封装技术也随之改变，从早期单芯片的炮弹型封装逐渐发展成扁平化、大面积式的多芯片封装模块；其工作电流由早期20mA左右的低功率LED，进展到目前的1/3至1A左右的高功率LED，单颗LED的输入功率高达1W以上，甚至到3W、5W。

传统LED功率不大，散热问题不严重，只要运用一般电子用的铜箔印刷电路板即足以应付，但随着高功率LED越来越盛行，此板已不足以应付散热需求，因此需再将印刷电路板贴附在一金属板上，即所谓的Metal Core PCB，以改善其传热路径。LED的散热组件与CPU散热相似，都是由散热片、热管、风扇及热界面材料所组成的气冷模块为主。目前散热的基本途径主要有以下三种：热传导、对流、辐射。与其它固体半导体器件相比，LED器件对温度的敏感性更强。由于受到芯片工作温度的限制，芯片只能在125℃以下工作，因此器件的热辐射效应基本可以忽略不计，热传导和对流是LED散热的主要方式。在散热设计时先从热传导方面考虑，因为热量首先从LED封装模块中传导到散热器。
　　针对高功率LED的封装散热难题国内外器件的设计者和制造者提出许多方法。现在传统散热方法有：鳍片散热、风冷、液冷、热管散热、半导体制冷等。现在有些新方法也被陆续提出来，比如超声制冷、超导制冷以及将多种散热方法有效集成在一个器件之中。

在散热仿真模拟方面，Ansys软件由于其优点多，如可实现多场级多场耦合分析，多种求解器分别适用于不同的问题及不同的硬件配置，支持异种和异构平台的网络浮动，在异种和异构平台上用户界面统一，数据文件全部兼容，强大的并行计算功能支持分布式并行及共享内存在式并行，多种自动网格划分技术，良好的用户开发环境等等，在仿真领域将会占主流地位。