电极结构及COB封装影响LED芯片光、热、电性能的仿真研究

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。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GaN-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。
　　本研究主要内容包括：⑴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。⑵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7K。⑶LED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1.6mm，杯深度为0.6mm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。⑷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500MPa；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。⑸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。

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中文摘要

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1 绪 论

1.1引言

1.2 LED工作原理及散热问题简介

1.3 LED的仿真与COMSOL软件

1.4 LED仿真模拟国内外研究现状

1.5 LED芯片COB封装简介

1.6 课题研究意义和内容

2 LED芯片电极结构优化

2.1 引言

2.2 LED芯片电流扩展、温度场分析理论

2.3 LED芯片插齿电极热设计

2.4 本章小结

3 LED芯片应用石墨烯透明电极热、电仿真优化

3.1 引言

3.2 LED芯片热、电建模

3.3 基于石墨烯透明电极LED芯片模拟分析

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

3.5 本章小结

4 LED芯片COB封装光热仿真研究

4.1 引言

4.2 LED芯片COB封装温度场模拟

4.3 基于反射杯的金属基板的COB封装

4.4 COB封装热应力分析

4.5 多芯片COB封装光、热性能仿真

4.6 本章小结

5 结论和展望

5.1 主要结论

5.2 本文创新点

5.3 后续工作及展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文

B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目

C. 半导体模拟（非辐射复合和光跃迁）设定