本文關(guān)鍵詞：電極結(jié)構(gòu)及COB封裝影響LED芯片光、熱、電性能的仿真研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：發(fā)光二極管(LED)因體積小、壽命長(zhǎng)、耗能低等一系列優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。但隨著LED功率的不斷增大,芯片電流擁擠、結(jié)溫過(guò)高嚴(yán)重影響LED的發(fā)光效率及可靠性。一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)和采用COB(Chip On Board,板上芯片封裝技術(shù))可以緩解電流擁擠、提高電流注入率,或降低LED芯片結(jié)溫,增強(qiáng)發(fā)光效率,延長(zhǎng)LED的使用壽命,從而提高器件可靠性。但電極結(jié)構(gòu)和COB封裝結(jié)構(gòu)如何優(yōu)化,優(yōu)化的效果如何,有必要首先從理論上進(jìn)行仿真模擬,以提高實(shí)驗(yàn)工作的針對(duì)性。為此,本文采用COMSOL多物理場(chǎng)有限元仿真軟件,依據(jù)芯片電流擴(kuò)展理論,分別模擬了插齒電極、石墨烯/氧化鎳透明復(fù)合電極、COB封裝中金屬基板反射杯結(jié)構(gòu)、多芯片排布方式對(duì)Ga N-LED芯片電、熱性能的影響;并采用Tracepro光線追蹤軟件仿真了COB封裝中反射杯結(jié)構(gòu)、多芯片排布方式對(duì)LED出光性能的影響,并制作了反射杯進(jìn)行COB封裝后,對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。主要結(jié)果如下:1)發(fā)現(xiàn)p-pad插入型比n-pad插入型電極更利于LED芯片電流的均勻擴(kuò)展;適當(dāng)增加電極長(zhǎng)度和插齒數(shù),利于電流橫向擴(kuò)展更均勻,但插齒數(shù)超過(guò)3以后,對(duì)橫向電流擴(kuò)展的增強(qiáng)作用不明顯。2)石墨烯/氧化鎳薄膜復(fù)合透明電極可有效地緩解芯片(175μm×225μm)的電流擁擠和降低結(jié)溫。以3層石墨烯和1 nm氧化鎳的復(fù)合電極性能最優(yōu):復(fù)合電極透光率約為90%,比僅用石墨烯(最優(yōu)厚度4層)透明電極相比,結(jié)溫降低4.8 K,電流密度分布均勻度提高11%。在3層石墨烯和1 nm氧化鎳復(fù)合電極基礎(chǔ)上,優(yōu)化電極結(jié)構(gòu),進(jìn)一步提高了LED的散熱性能:當(dāng)電極結(jié)構(gòu)p/n-pad尺寸為芯片尺寸的0.8倍,p-pad掩埋深度為40 nm,n-pad電極與有源層刻蝕距離為4μm時(shí),芯片結(jié)溫比p/n-pad尺寸為芯片0.4倍時(shí),降低7 K。3)LED芯片COB封裝基板反射杯結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果表明:當(dāng)反射杯杯口直徑為3.0mm,杯底直徑為1.6 mm,杯深度為0.6 mm時(shí),輸出光效率為48.36%,與無(wú)反射杯COB封裝相比,輸出光效率提高了20%,光輻照角度減小為85度,輻照強(qiáng)度增加了1倍,該結(jié)果得到封裝測(cè)試驗(yàn)證。同時(shí)結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真計(jì)算得出反射杯結(jié)構(gòu)對(duì)硅膠熱應(yīng)力應(yīng)變影響很小。鋁質(zhì)基板的熱阻僅比銅質(zhì)基板的熱阻只高2.85℃/W,出于經(jīng)濟(jì)和成本考慮,建議優(yōu)先選用鋁基板反射杯進(jìn)行COB封裝。4)將COMSOL焦耳熱模塊和結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊耦合,仿真計(jì)算了COB封裝情況下,LED芯片、硅膠、固晶膠、襯底熱應(yīng)力、應(yīng)變隨反射杯結(jié)構(gòu)參數(shù)、固晶膠厚度、固晶膠熱導(dǎo)率、襯底厚度、襯底熱導(dǎo)率和芯片功率的變化情況,結(jié)果表明:LED內(nèi)最大應(yīng)力出現(xiàn)在透鏡與基板的連接處;反射杯的結(jié)構(gòu)對(duì)硅膠熱應(yīng)力、應(yīng)變影響很小;固晶膠厚度為40μm,固晶膠熱應(yīng)力為500 MPa;當(dāng)固晶膠熱導(dǎo)率大于13 W/m×k后,芯片結(jié)溫降低趨勢(shì)平緩。從藍(lán)寶石、硅、碳化硅三種襯底厚度對(duì)熱應(yīng)力和芯片結(jié)溫影響分析,襯底選用厚度100μm以下的硅材料為最好。5)模擬研究了排布方式和芯片間距對(duì)9顆、16顆LED芯片陣列結(jié)溫和出光性能的影響,發(fā)現(xiàn):9顆芯片封裝排布以單環(huán)分布結(jié)溫最低,16顆芯片封裝排布以6+10雙環(huán)分布結(jié)溫最低;9顆LED時(shí),3×3陣列、3+6雙環(huán)、單環(huán)三種排布方式下出光性能基本相同;16顆LED情況下:4小聚型排布的光照強(qiáng)度小,輻照范圍廣,半高寬101度,4×4陣列、16顆芯片圍成單環(huán)、6+10雙環(huán)排布三種排布封裝的輻照角度半高寬為84度,其中6+10雙環(huán)分布輻照強(qiáng)度最大,配光曲線效果最好。
【關(guān)鍵詞】：GaN-LED 結(jié)溫 電流擴(kuò)展 熱阻 有限元仿真
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TN312.8
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-10
• 1 緒論10-22
• 1.1 引言10-11
• 1.2 LED工作原理及散熱問(wèn)題簡(jiǎn)介11-13
• 1.2.1 LED工作原理11-12
• 1.2.2 LED散熱問(wèn)題簡(jiǎn)介12-13
• 1.3 LED的仿真與COMSOL軟件13-15
• 1.3.1 LED的仿真13-14
• 1.3.2 有限元仿真模擬方法與步驟14-15
• 1.4 LED仿真模擬國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-18
• 1.4.1 LED仿真模擬國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀15-16
• 1.4.2 LED芯片電極結(jié)構(gòu)仿真設(shè)計(jì)16-18
• 1.5 LED芯片COB封裝簡(jiǎn)介18-19
• 1.6 課題研究意義和內(nèi)容19-22
• 1.6.1 研究目的及意義19-20
• 1.6.2 研究?jī)?nèi)容20-22
• 2 LED芯片電極結(jié)構(gòu)優(yōu)化22-32
• 2.1 引言22
• 2.2 LED芯片電流擴(kuò)展、溫度場(chǎng)分析理論22-25
• 2.2.1 LED芯片電流擴(kuò)展理論22-24
• 2.2.2 LED芯片溫度場(chǎng)穩(wěn)態(tài)模擬熱分析理論24-25
• 2.3 LED芯片插齒電極熱設(shè)計(jì)25-31
• 2.3.1 傳統(tǒng)電極溫度場(chǎng)模擬25-28
• 2.3.2 插齒電極長(zhǎng)度對(duì)芯片溫度場(chǎng)影響28-29
• 2.3.3 電極插齒數(shù)量對(duì)芯片溫度和光效的影響29-31
• 2.4 本章小結(jié)31-32
• 3 LED芯片應(yīng)用石墨烯透明電極熱、電仿真優(yōu)化32-40
• 3.1 引言32
• 3.2 LED芯片熱、電建模32-34
• 3.3 基于石墨烯透明電極LED芯片模擬分析34-35
• 3.4 不同厚度組合石墨烯/氧化鎳復(fù)合透明電極LED芯片的熱、電性能35-38
• 3.5 本章小結(jié)38-40
• 4 LED芯片COB封裝光熱仿真研究40-64
• 4.1 引言40
• 4.2 LED芯片COB封裝溫度場(chǎng)模擬40-44
• 4.2.1 LED溫度場(chǎng)仿真模擬原理40-41
• 4.2.2 LED芯片COB/SMT封裝結(jié)構(gòu)熱阻分析41-44
• 4.3 基于反射杯的金屬基板的COB封裝44-49
• 4.3.1 金屬基板反射杯優(yōu)化44-46
• 4.3.2 反射杯的制作與金屬基板上LED芯片的COB封裝46-47
• 4.3.3 LED芯片的光通量和結(jié)溫的測(cè)試47-49
• 4.4 COB封裝熱應(yīng)力分析49-56
• 4.4.1 透鏡和硅膠的熱應(yīng)力計(jì)算49-52
• 4.4.2 固晶膠厚度對(duì)其熱應(yīng)力影響52-53
• 4.4.3 芯片襯底厚度對(duì)其熱應(yīng)力的影響53-54
• 4.4.4 功率對(duì)芯片和固晶膠熱應(yīng)力的影響54-56
• 4.5 多芯片COB封裝光、熱性能仿真56-62
• 4.5.1 多芯片模組熱性能仿真56-57
• 4.5.2 排布方式和間距對(duì)9顆LED芯片陣列結(jié)溫的影響57-59
• 4.5.3 排布方式和間距對(duì)16顆LED芯片陣列結(jié)溫的影響59-60
• 4.5.4 多芯片配光效果仿真60-62
• 4.6 本章小結(jié)62-64
• 5 結(jié)論和展望64-68
• 5.1 主要結(jié)論64-65
• 5.2 本文創(chuàng)新點(diǎn)65
• 5.3 后續(xù)工作及展望65-68
• 致謝68-70
• 參考文獻(xiàn)70-76
• 附錄76-78
• A．作者在攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文76
• B．作者在攻讀學(xué)位期間參加的科研項(xiàng)目76-77
• C．半導(dǎo)體模擬（非輻射復(fù)合和光躍遷）設(shè)定77-78

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