高功率LED柔性封装结构设计与热特性分析
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I
摘 要
大面积曲面、面型可变的照明设计和应用，要求 LED 必须具备柔性特性，柔
性LED 封装技术可以满足这个要求。该技术基于贴片式功率 LED 封装方式，整
合了 LED 和OLED 的优点，在保证大面积照明的同时，采用柔性衬底封装结构，
达到大功率 LED 阵列柔性弯曲的目的。既保留了 LED 高发光效率、长使用寿命
等特点，又使 LED 具有与 OLED 相同的柔性轻薄外观，这无疑是照明理念的升
华。目前的相关研究工作大多集中在柔性电路的设计上，采用柔性基底的功率型
LED 柔性封装还未见报道。
本文通过以下三个方面对高功率 LED 柔性封装结构进行了研究：
第一，根据功率 LED 的柔性封装要求，提出了基于贴片式封装的功率型 LED
柔性封装结构。选用散热性能更优的垂直结构 LED 芯片以及导热系数高的柔性衬
底，对各层结构进行了优化设计。
第二，运用有限元法（FEM），对柔性封装结构的 LED 做了热场分布模拟计
算。对比研究了柔性 LED 与传统封装结构 LED 的热特性。根据模拟结果得出，
采用金属铜箔衬底的柔性封装结构，其散热特性较好。
第三，对弯曲状态下，柔性衬底材料对芯片的应力进行了分析。铜/超薄玻璃
复合衬底替代铜箔衬底，可以减少弯曲的应力，减少幅度达到 2.5 倍，散热特性
则基本相同。
研究结果表明，贴片式柔性封装的 LED不仅具有较好的热稳定性，且具有柔
性可挠曲特性，其应用潜力很大。
关键词: 光学器件；LED；柔性衬底材料；柔性封装；有限元分析
II
ABSTRACT
Large surface area or surface-type variable lighting design and application require
the flexible characteristic of LED. Flexible LED packaging technology is studied to
meet this requirement. The technology is based on SMD LED package, integrating the
advantages of LED and OLED and ensuring large area lighting. The use of flexible
packaging substrate structure, achieved high-power LED array of flexible bending
purposes. The technology is based on SMD LED package, integrating the advantages of
LED and OLED and ensuring large area lighting. The use of flexible packaging
substrate structure achieved high-power LED array of flexible bending purposes. The
flexible packaging retained the high luminous efficiency and long life of LED, and the
LED has the same flexible light appearance as OLED - a concept sublimation of
lighting. Most of the current research work focused on the flexible circuit design, power
LED flexible package with flexible substrate has not been reported.
In this paper, the following three aspects of high power LED flexible package is
studied:
First, in order to meet the need of power LED flexible packaging, the flexible
structure of LED was proposed based on surface mounted devices (SMD) packaging.
Each layer of the flexible structure was optimized.
Second, the thermal field distribution of flexible LED packaging is simulated by
finite element method (FEM). The thermal characteristic of flexible LED structure and
conventional LED package is compared. According to the simulation results, the
thermal characteristic is good when a flexible metal copper foil substrate is used.
Third, The stress developed in LED chips as a result of bending had been analyzed.
Cu/ultra thin glass composite substrate instead of Cu substrate makes only a little
difference in heat disputation but effectively reduces the stress by up to 2.5 times.
Power flexible LED packaging appears a great application potential because of its
flexibility and thermal stability, compared with the traditional LED packaging.
Key words: Optical devices; Light-emitting diodes; Flexible substrate materials;
Flexible packaging; Finite element analysis
III
目 录
摘 要
ABSTRACT
第一章 绪论 ................................................................................................................ 1
§1.1 引言 ................................................................................................................. 1
§1.1.1 LED 发展历史及研究现状 .................................................................... 1
§1.1.2 LED 的分类 ............................................................................................. 4
§1.1.3 大功率 LED 封装结构 ........................................................................... 5
§1.1.4 OLED 研究进展 ...................................................................................... 6
§1.2 研究的意义和目的 ........................................................................................ 7
§1.3 课题研究的创新点 ........................................................................................ 8
第二章 LED 柔性封装结构设计 .............................................................................. 9
§2.1 LED 封装方法 ................................................................................................ 9
§2.1.1 引脚式 LED 封装 .................................................................................... 9
§2.1.2 表面组装（贴片）式封装 ..................................................................... 9
§2.1.3 板上芯片直装式 LED 封装 ................................................................. 10
§2.1.4 系统封装式 LED 封装.......................................................................... 10
§2.1.5 LED 封装发展趋势............................................................................... 11
§2.3 柔性封装结构设计 ...................................................................................... 12
第三章 柔性封装结构散热性能分析 .................................................................... 15
§3.1 热传递的方式 .............................................................................................. 15
§3.1.1 热传导 .................................................................................................... 15
§3.1.2 热对流 .................................................................................................... 15
§3.1.3 热辐射： ................................................................................................ 16
§3.2 结温对 LED 性能的影响 ............................................................................ 16
§3.2.1 结温以及结温的产生 ........................................................................... 16
IV
§3.2.2 结温对发光效率的影响 ....................................................................... 17
§3.2.3 结温对正向电压的影响 ....................................................................... 19
§3.2.4 结温对最大注入电流的影响 .............................................................. 20
§3.2.5 结温对 LED 寿命及可靠性的影响..................................................... 20
§3.3 柔性封装结构中结温的计算分析 ............................................................. 22
§3.3.1 柔性封装结构中的热阻网络 .............................................................. 22
§3.3.2 柔性封装结构中各层热源分析 .......................................................... 23
§3.3.3 柔性封装模型 LED 结温计算 ............................................................. 24
第四章 柔性封装结构热场分布模拟 .................................................................... 26
§4.1 有限元分析法 .............................................................................................. 26
§4.2 ANSYS 软件简介 ........................................................................................ 27
§4.3 柔性封装模型建立 ...................................................................................... 28
§4.4 热场分布模拟 .............................................................................................. 29
§4.5 模拟结果对比分析 ...................................................................................... 30
第五章 应力分析 ..................................................................................................... 32
§5.1 应力计算方法 .............................................................................................. 32
§5.2 超薄玻璃/铜复合衬底 ................................................................................. 34
§5.3 复合衬底的热模拟分析 .............................................................................. 35
第六章 全文总结 ..................................................................................................... 37
参考文献 ................................................................................................................... 38
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................................... 41
致 谢 ......................................................................................................................... 43
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 引言
§1.1.1 LED 发展历史及研究现状
半导体发光二级管，或简称为LED（light-emitting diode）。它是利用半导体
P-N结或类似的结构把电能转换成光能的器件。由于这种发光的方式是通过注入
的电子和空穴复合而产生的，因此同时我们也把它叫做注入式电致发光。
早在1907年，Henry Joseph Round在SiC中首次观察到电致发光现象。其发
出的黄光过于暗淡，无法在实际中应用，而且SiC与电致发光的适应性很差。在
二十世纪二十年代晚期，德国的Bernhard Gudden和Robert Wichard使用从锌硫化
物与铜中提炼出的黄磷进行电致发光实验，再一次因发光暗淡而停止。
1936年，George Destiau报道了关于硫化锌粉末电致发光的研究成果。随着
电流的进一步应用和更加广泛的认识，最终出现了“电致发光”这个术语。第一
个具有现代意义的LED在60年代面世，采用半导体砷化镓材料，由英国科学家
发明。据报道，在早期的试验中，LED必须被放置在液氮里，需要进一步的操
作与突破才能在室温下高效率地工作。第一个商用LED只能发出不可见的红外
光，但被迅速地应用于光电感应领域。到60年代的末期，通过使用磷化物在
AsGa基体上发明了第一个红光LED。这种采用磷化镓基底的LED可以发出更高
效率的红光，甚至可以发出橙色光。
到70 年代的中期，已经可以使用磷化镓作为光源得到灰白色绿光。使用双
层磷化镓芯片的 LED（一个为红色另一个是绿色），能够发出黄色光。在 70
年代末，俄国科学家利用金刚砂制造出可以发出纯绿色光 LED，尽管它不如欧
洲的 LED 高效。
到80 年代中期，第一代高亮度的 LED 诞生，采用 AsGa 和AlP 作为基底，
可以发出红色、黄色、甚至是绿色光。
20 世纪 90 年代，采用 AlGaInP 生产出了红、黄、橙和绿色光的 LED。同
一期间，利用金钢砂—早期的半导体光源，第一个有历史意义的蓝光 LED，也
出现在 90 年代早期。如果按照当今的技术标准衡量，它与以前俄国的黄光
LED 一样发光暗淡。
超亮度的 GaN LED 出现于 90 年代中期，随即又制造出能发出高强度的绿
光和蓝光的 InGaN LED。作为白光 LED 的核心，在超亮度蓝光芯片发光芯片上
抹上荧光磷，荧光粉可以吸收来自芯片上的蓝色光，并将其转化为白光。利用
这种荧光粉转换技术可以制造出任何可见光的颜色。
摘要：
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I摘要大面积曲面、面型可变的照明设计和应用，要求LED必须具备柔性特性，柔性LED封装技术可以满足这个要求。该技术基于贴片式功率LED封装方式，整合了LED和OLED的优点，在保证大面积照明的同时，采用柔性衬底封装结构，达到大功率LED阵列柔性弯曲的目的。既保留了LED高发光效率、长使用寿命等特点，又使LED具有与OLED相同的柔性轻薄外观，这无疑是照明理念的升华。目前的相关研究工作大多集中在柔性电路的设计上，采用柔性基底的功率型LED柔性封装还未见报道。本文通过以下三个方面对高功率LED柔性封装结构进行了研究：第一，根据功率LED的柔性封装要求，提出了基于贴片式封装的功率型LED柔性封装结构...
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