（农业机械化工程专业论文）大功率led封装共晶炉及灯具传热过程仿真分析.pdf

华中农业大学学位论文独创性声明及使南授权书 学位论文 如需保密，解密时间年月日 是否保密 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料，指导教师对此进行了审定与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。 研究生签名：爹k 虫、 时间： z 刃碑 阴伽 学位论文使用授权书 本人完全了解华中农业大学关于保存，使用学位论文的规定，即学生必须按照学 校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印刷版和电子版， 并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。本人同意华中农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全 部或部分内容，并授权中国科学技术信息研究所和北京万方数据股份有限公司将本人 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、 复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权力。 注：保密学位论文( 即涉及技术秘密、商业秘密或申请专利等潜在需要提交保密的论 文) 在解密后适用于本授权书 糊黼始触孙张垂挑虱 签名日期： 矽o 年，月夕日签名日期：加f 。年6 月 日 注：请将本表直接装订在学位论文的扉页和目录之间 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论l 1 1 本课题的目的及研究意义1 1 2l e d 介绍1 1 3 大功率l e d 封装研究现状2 1 4 国内外大功率l e d 封装共晶炉的研究现状4 1 5 本课题主要研究内容6 1 5 本课题创新点6 第2 章大功率l e d 封装共晶炉炉腔有限元分析7 2 1 大功率l e d 封装共晶炉总体结构设计。7 2 2 大功率l e d 芯片封装共晶炉内腔数值计算9 2 3 大功率l e d 芯片封装共晶炉内腔有限元分析1 0 2 3 1 有限元软件介绍：。1 1 2 3 2 内腔有限元分析1 1 2 4 本章小结1 6 第3 章大功率l e d 封装共晶炉传热过程的仿真分析1 7 3 1 加热室传热过程1 7 3 1 1 加热室内自然对流1 7 3 1 2 加热室腔壁热传导一18 3 1 3 加热器对周围辐射传热18 3 1 4 传热分析有限元原理。1 8 3 2 仿真模拟2 0 3 3 仿真结果与分析2 1 3 4 本章小结2 4 第4 章大功率l e d 灯具的散热分析2 5 4 1l e d 灯具的热分析2 5 4 1 1l e d 灯具结构2 5 4 1 2 计算条件2 7 4 2 气流及温度分布图2 9 4 2 1 1 4 粒l e d 灯的气流、温度分布图3 0 4 2 21 8 粒l e d 灯的气流、温度分布图。3 1 4 2 32 0 w 的l e d 灯的气流、温度分布图3 1 4 2 43 0 w 的l e d 灯的气流、温度分布图3 2 4 3 仿真数据结果3 3 4 3 1 四种灯具的t - p 关系图3 3 4 3 2 四种灯具的t - t 关系图3 6 4 3 3 四种灯具的t - v 关系图。3 8 4 3 4 总结4 0 4 4 建议与改进4 0 第5 章总结与展望4 4 参考文献4 5 致谢。4 8 附录4 9 摘要 随着电子信息技术的迅猛发展，电子产品向着高性能、高可靠性的方向发展， 对共晶焊接设备的要求也越来越高。共晶炉就是基于共晶原理开发的专用设备，在 真空或惰性保护气体环境中按照不同焊接合金材料的共晶工艺要求，完成芯片的封 装。它有空洞率低、散热性好等优点，尤其适用于高频元器件对温度的要求。 本文介绍了大功率l e d 芯片封装共晶炉炉体的结构，提出了共晶炉的加热方 式，并对共晶炉进行应力、应变及传热的综合有限元分析，最后对封装产品即l e d 灯具进行了散热分析。第一章介绍了l e d 的应用、封装及共晶炉的研究现状；第二 章对共晶炉炉腔结构采用有限元方法进行分析，结果表明，炉腔应力及变形主要集 中在炉腔底部圆弧区和中心处，其结果满足设计要求。进而为炉体完成进一步的设 计优化。第三章详细介绍了封装大功率l e d 芯片的真空可控气氛共晶炉的整个传热 过程，并对其进行了传热仿真。仿真分析结果表明，陶瓷基板上的温度在加热过程 中每个时间点上相差不大，在满足共晶温度时基板上的温度值相差不超过1 ，说 明焊接芯片的陶瓷基板的受热均匀性好。另外炉腔封盖外表面最高温度2 1 ，达到 了设计的要求。选用不同夹具材料和同种材料不同厚度得到基板上不同的温度曲线， 这为夹具设计提供了参考。第四章对共晶炉封装的产品即大功率l e d 灯具进行了散 热仿真，通过仿真分析表明，四种l e d 灯具在同种条件下，芯片功率越高，结温就 越大：结温与环境温度值之间呈线性关系；在空气流速0 0 0 1 0 2 5 r n s 之间，结温 几乎没有变化。1 4 粒、1 8 粒l e d 灯具在有散热孔比没散热孔的结温值差别很大， 而2 0 w 、3 0 w 的灯具在有无散热孔时的结温值差别不大。所以在1 4 粒、1 8 粒l e d 灯具上开散热孔是十分有必要的。第五章对共晶炉的设计分析过程及l e d 灯具散热 分析进行了总结，并对其发展前景进行了展望。 论文的创新点为提出了大功率l e d 封装共晶炉的结构及加热方式，并对共晶炉 进行应力、应变及传热的综合有限元分析。 关键词：大功率l e d ；封装；共晶；热分析 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fe l e c t r o n i ci n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y , e l e c t r o n i c p r o d u c t sh a v eb e e nd e v e l o p i n gt o w a r d st h et r e n do fh i g h - p e r f o r m a n c ea n dh i g l l r e l i a b i l i t y , w h i c hl e a d st oh i g h e rr e q u i r e m e n t sf o rt h ep e r f o r m a n c eo fe u t e c t i cd e v i c e s e u t e c t i c f u r n a c ei sas p e c i a le q u i p m e n tb a s e do nt h ee u t e c t i cp r i n c i p l e ，p a c k a g i n gc h i pa c c o r d i n g t od i f f e r e n te u t e c t i ct e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t so fw e l d i n ga l l o ym a t e r i a l su n d e ra v a c u u mo ri n e r tg a sp r o t e c t i o ne n v i r o n m e n t i th a st h ea d v a n t a g e so fl o we m p t yr a t ea n d g o o dh e a td i s s i p a t i o n ，e s p e c i a l l yf o rh i g l lf r e q u e n c yc o m p o n e n t sw i t ht e m p e r a t u r e r e q u i r e m e n t s t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h es t r u c t u r eo ft h ee u t e c t i cf u l t l a c eb o d y , p r o p o s i n gh e a t i n g m e t h o df o re u t e c t i cf u r n a c e ，a n a l y z i n ge u t e c t i cf u r n a c ec o m p r e h e n s i v e l yo ns t r e s s ，s t r a i n a n dh e a tt r a n s f e rf i n i t ee l e m e n tw i t hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) a n dt h e r m a la s p e c t so n t h ep a c k a g e s ，t h a ti sl e dl a m p s t h ec h a p t e ro n ed e s c r i b e st h ea p p l i c a t i o na n dp a c k a g e o fl e da n dr e s e a r c ho ne u t e c t i cf u r n a c e r e c e n t l y t h ec h a p t e rt w oc a r r i e so u ta na n a l y s i s o nt h es t r u c t u r eo fe u t e c t i cf u r n a c ec h a m b e rw i t hf e a t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t r e s s a n dd e f o r m a t i o no ft h ef u r n a c ec h a m b e rm a i n l yc o n c e n t r a t e di nt h eb o t t o ma r ca r e aa n d t h ec e n t e ro ft h ef u r n a c ec h a m b e r , m e e t i n gt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s ，m o r e o v e rf u r t h e rf o r c o m p l e t i n go p t i m i z a t i o nd e s i g no nt h ef u m a c eb o d y t h ec h a p t e rt h r e ei n t r o d u c e st h e w h o l eh e a tt r a n s f e rp r o c e s so fh i g h - p o w e rl e d c h i pp a c k a g i n gi nt h ev a c u u mc o n t r o l l e d e u t e c t i cf u r n a c ea n di t ss i m u l a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e r ei s1 i t t l e d i f f e r e n c e si ne a c ht i m ep o i n tf o rt h ec e r a m i cs u b s t r a t et e m p e r a t u r ei nt h eh e a t i n gp r o c e s s ， a n dr e v e a l so fw e l d i n gc h i pw i t hg o o dt h e r m a lu n i f o r m i t yo nt h ec o n d i t i o nt h a tt h e c e r a m i cs u b s t r a t et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo fn om o r et h a n4 - 1 w h i l em e e t i n ge n t e c t i c f u r n a c et e m p e r a t u r e b e s i d e st h em a x i m u mt e m p e r a t u r ei nt h ec o v e ro u t e rs u r f a c eo f f u m a c ec h a m b e ri s2 1 ，m e e t i n gd e s i g nd e m a n d s o b t a i n i n gd i f f e r e n ts u b s t r a t e t e m p e r a t u r ec l l n ，e si n d if f e r e n tf i x t u r e sm a t e r i a l sa n dt h es a m em a t e r i a lw i t hd i f f e r e n t t h i c k n e s sp r o v i d e sar e f e r e n c ef o rt h e f i x t u r ed e s i g n t h ec h a p t e rf o u rs i m u l a t e st h e e u t e c t i cf u m a c ep a c k a g e dp r o d u c t s ，t h a ti s h i g h - p o w e rl e dl i g h t i n g , i nt h e r m a la s p e c t t h es i m u l a t i o na n a l y s i ss h o w st h a tf o u rk i n d so fl e d l a m p si nt h es a m ec o n d i t i o n s ，t h e h i g h e rc h i pp o w e r , t h eg r e a t e rt h ej u n c t i o nt e m p e r a t u r e ，a n dt h e r ei sal i n e a rr e l a t i o n s h i p b e t w e e nj u n c t i o nt e m p e r a t u r ea n da m b i e n tt e m p e r a t u r e t h ej u n c t i o nt e m p e r a t u r ei s a l m o s tu n c h a n g e da m o n gt h ea i rf l o wr a t e0 0 0 1 0 2 5m s t h e r ei s s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e si nj u n c t i o nt e m p e r a t u r eb e t w e e n14 ，18l e d l a m p sw i t ht h eh o l e sa n dw i t h o u t n t h eh o l e s , h o w e v e r , t h e r ei sl i t t l ed i f f e r e n c e si nj u n c t i o n t e m p e r a t u r eb 咖e e n2 0 w , 3 0 w l e d i 锄p sw i t ht h eh o l e sa n dw i t h o u tt h eh o l e s t h e r e f o r ei ti s i n d i s p e n s a b l et op u l l c h c o o l i n gh o l e so nm el4 ，18l e d l a m p s t h ec h a p t e rf i v ec o n c l u d e sd e s i g na n d a n a l y s i s p r o c e s so fe u t e c t i cf u r n a c e ，a l s oi n c l u d i n gt h e r m a l a n a l y s i s0 nl e dl a m p s ，l o o k i n g t o 聊a r di n t ot h ed e v e l o p m e n t t h ei n n o v a t i o n si n t h i st h e s i si sn o to i l l yp r o p o s i n gt h e s t m 咖郎o fh l g h 。p o w e rl e dp a c k a g e e u t e c t i c f u m a c e ，h e a t i n gm e t h o d ，b u ta l s o a n a l y s i n go ns t r e s s ，s t r a i na n dh e a tt r a n s f e rf i n i t ee l 锄e n tw i t bf e a k e yw o r d s ：h i g h - p o w e r l e d ，p a c k a g e ，e u t e c t i c ，t h e r m a l 锄a l y s i s i i i 哇 大功率l e d 芯片封装共晶炉及灯具的传热过程仿真分析 第1 章绪论 1 1 本课题的目的及研究意义 共晶焊接是最近几年封装工艺中才发展起来的新工艺。它有空洞率低、散热性 好等优点，尤其适用于对温度要求高的高频元器件( 田芳，2 0 0 7 ) 。共晶焊接一般在 真空或惰性气体( a t 、h e ) 环境中进行，其目的防止焊接时被空气氧化。共晶炉就 是基于共晶原理开发的专用设备，它在真空或惰性保护气体环境中，按照不同焊接 合金材料的共晶工艺曲线要求，来完成芯片的封装。 目前，生产共晶设备的国内厂家很少，因此设备的成功开发，可以打破国外共 晶炉生产厂商对我国市场的垄断，使我国的共晶焊接技术能够得到有力的保障，它 广泛应用于l e d 封装、光纤元器件、m e m s 器件封装、m i m i c 共晶贴片和激光管 壳焊等元器件的焊接，应用领域还在被不断的扩展，因此具有很好的市场发展前景 ( 常温，2 0 0 5 ) 。 1 2l e d 介绍 l e dl i g h te m i t t i n gd i o d e ( 发光二极管) 的缩写。是一种固态的半导体器件，它可 以把电能直接转化为红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。l e d 照明产品就是 利用l e d 作为光源制造出来的照明器具( 黄金霞，2 0 0 8 ) 。如图1 1 所示。 图1 1 发光二极管 f i g 1 1l i g h te m i t t i n gd i o d e l e d 的核心是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是连接电 源的正极，另一端是负极，整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组 成，一部分是p 型，在它里面空穴占主导地位，另一端是n 型半导体，在这边的主 要是电子。但当把这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成了一个p - n 结。 华中农业大学2 0 1 0 届硕士研究生学位论文 当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向p 区，在p 区里电子跟空 穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是l e d 发光的原理。而光的波长也 就是光的颜色，是由形成p n 结的材料决定的( 郑代顺，2 0 0 6 ) 。 目前，我国半导体照明产业发展很好，外延芯片企业的发展尤其迅速、封装企 业规模继续保持较快增长、照明应用取得较大发展。2 0 0 7 年我国l e d 应用产品产 值已超过3 0 0 亿元，已成为l e d 全彩显示屏、太阳能l e d 、景观照明等应用产品世 界最大的生产和出1 2 1 国，新兴的半导体照明产业正在形成。国内在照明领域已经形 成一定特色，其中户外照明发展最快，已有上百家l e d 路灯企业，并建设了几十条 示范道路，但在室内通用照明市场方面仍显落后。 l e d 被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等 特点，可以广泛应用于各种显示、指示、背光源、装饰、普通照明和城市夜景等领 域( 姚凯，2 0 0 7 ) 。近年来，世界上一些经济发达国家围绕l e d 的研制展开了激烈 的技术竞赛。美国从2 0 0 0 年起投资5 亿美元实施“国家半导体照明计划 ，欧盟也 在2 0 0 0 年7 月宣布启动类似的“彩虹计划 。我国科技部在“8 6 3 ”计划的支持下， 2 0 0 3 年6 月份首次提出发展半导体照明计划。多年来，l e d 照明以其节能、环保的 优势，已受到国家和各级政府的重视，各地纷纷出台相关政策和举措加快l e d 灯具 的发展；大众消费者也对这种环保新型的照明产品渴求已久。但是，由于投入在技 术和推广上的成本居高不下，使得令万千消费者翘首以待的l e d 照明产品一直可望 而不可及，迟迟未能揭开其神秘的贵族面纱! 随着国内部分厂家技术和生产成本的降低，l e d 照明叫好而不叫座的局面即将 改变。价廉物美的l e d 照明产品，将给中国照明行业带来革命性的冲击，为广大消 费者带来了光明的福音1 1 3 大功率l e d 封装研究现状 在l e d 的产业链中，封装起到一个非常重要的部分，它决定着l e d 芯片的光、 热、寿命和二次配光等特性。l e d 最初的封装形式主要是引脚式封装，如图1 2 所 示。随着芯片发光功率的不断提高，以及应用领域的不断扩大，其原有的封装结构 无论是在散热，还是在集成度上都不再能满足l e d 不断发展的需要。伴随着电子封 装技术的不断发展，表面贴装( s m d ) 封装技术开始成为l e d 封装技术的主流，表 面贴装的s m d - l e d 在散热性、集成度和可靠性上都比以前的封装结构有很大的提 高( 关荣峰，2 0 0 5 ) 。如图1 3 所示。 2 大功率l e d 芯片封装共晶炉及灯具的传热过程仿真分析 l e d 芯 反射环 舅极 图1 2 引脚式封装 f i g 1 2p i n - t y p ep a c k a g e 图1 3s m d l e d 封装 f i g 1 3s m d - l e dp a c k a g e 进行共晶焊接工艺时可加入助焊剂，一般低功率的l e d 器件主要是以银浆固 晶，但由于银浆本身不能承受高温，在提升亮度的同时，发热变大的现象也会产生， 因而影响产品的质量。要想获得高品质、高功率的l e d ，必须发展新的固晶工艺技 术，其中一种就是利用共晶焊接技术，将晶粒焊接于一散热基板或热沉上，然后把 整件晶粒固连散热基板再焊接于封装器件上，这样就可以增强器件德散热能力，使 发光功率相对地提高。至于基板材料方面，硅、铜及陶瓷等都是一般常用的散热基 板材料。 共晶焊接技术最关键的是共晶材料的选择和焊接温度的控制。新一代的i n g a n 高亮度l e d ，如采用共晶焊接技术，晶粒底部可以采用纯锡( s n ) 或金锡( a u - s n ) 合金作接触面的镀层，晶粒可焊接于镀有金或银的基板上( 王多笑，2 0 0 8 ) 。当基板 被加热至适当的共晶温度时，金或银元素渗透到金锡合金层，合金层成份的改变提 3 华中农业大学2 0 1 0 届硕士研究生学位论文 高溶点，令共晶层固化并将l e d 紧固在热沉或基板上。选择共晶温度视乎晶粒、基 板及器件材料耐热程度及往后s m t 回焊过程时的温度要求。考虑共晶固晶机台时， 除高位置精度外，另一重要条件就是有灵活而且稳定的温度控制，加有氮气或混合 气体装置，有助于在共晶过程中作防氧化保护。当然和银浆固晶一样，要达至高精 度的固晶，有赖于严谨的机械设计及高精度的马达运动，才能令焊头运动和焊力控 制恰到好处之余，亦无损高产能及高良品率的要求。进行共晶焊接工艺时亦可加入 助焊剂，这技术最大的特点是无须额外附加焊力，故此不会因固晶焊力过大而令过 多的共晶合金溢出，减低l e d 产生短路的机会。 1 4 国内外大功率l e d 封装共晶炉的研究现状 目前，国内一些高校和研究所在从事有关真空可控气氛共晶炉的研制。例如华 中科技大学微系统研究中心自行设计研制的多功能真空封装工艺设备，它是由真空 系统、加压装置、加热和冷却系统组成( 杨俊波，2 0 0 5 ) ，如图1 4 所示。中国电子 科技集团公司第二研究所研制的g j l 2 2 5 真空可控气氛共晶炉，可用于混合电路、 光纤器件等微电子器件封装及组装过程中芯片与基板、基板与壳体的共晶焊接( 常 温，2 0 0 5 ) ，如图1 5 所示。但技术还不够成熟，工艺上有待进一步提高。 图1 4 多功能真空封装工艺设备 f i g 1 4m u l t i f u n c t i o nv a c u u mp a c k a g i n ge q u i p m e n t 4 大功率l e d 芯片封装共晶炉及灯具的传热过程仿真分析 图1 5g j l 2 2 5 共晶炉 f i g 1 5g j l 2 2 5e u t e c t i cf u r n a c e 国外公司或研究机构生产的真空可控气氛共晶炉中，美国s s t 公司生产的3 1 3 0 型共晶炉最为典型，如图1 6 所示。它采用可编程真空压力控制系统，系统在 w i n d o w s 环境下运行，应用程序容易创建并可储存在控制器里，还可以与互联网和 局域网连接，具有远程监控、故障排除和维修的能力。3 1 3 0 型共晶炉采用石墨电阻 加热装置设计，但加热区面积为1 6 0 俐2 ，不适合大面积、阵列型的l e d 芯片封装， 且价格昂贵。 图1 6m o d e l 3 1 3 0 共晶炉 f i g 1 6m o d e l3 1 3 0e u t e c f i cf u r n a c e 从以上国内外现状可以看出，对于真空可控气氛共晶炉，国内外均采用的是双 级旋片式真空泵，为提供5 p a 的极限真空度。保护气和冷却气都采用氮气另加两路 惰性工艺气体( h e 和a r ) 。共晶焊料种类都采用国际通用的a u s n 、a u g e 和a u s i 。 华中农业大学2 0 1 0 届硕士研究生学位论文 温度控制范围在室温到5 0 0 。c 之间变化。但以上产品的共晶基板的范围尺寸都有限 小，不能适应较大尺寸的共晶封装，如在3 0 0 3 0 0 m m 2 的基板上封装l e d 芯片。 1 5 本课题主要研究内容 本课题主要对大功率l e d 芯片进行封装，单个芯片为8 x 6 m m ；陶瓷电路基板 的总面积为3 0 0 x 3 0 0 m m ；陶瓷电路基板表面镀a u s n 、a u g e 或a u s i 焊料2 u m ； 加热最高温度为5 0 0 ，精度控制在在士1 ；极限真空度为5 p a 。 本文主要对真空可控气氛共晶炉的结构及传热过程进行分析和仿真，并根据仿 真分析结果进行优化，使共晶炉的结构设计更加完善，并达到满足封装大功率l e d 芯片的各项技术指标要求，并对封装产品即大功率l e d 灯具进行散热分析。主要研 究内容如下： ( 1 ) 对共晶炉内腔进行结构有限元分析，以检验是否满足结构强度要求，分析 应力分布及位移变化，对结构设计进一步优化。 ( 2 ) 对共晶不同阶段的温度场进行全局模拟，得到共晶各个阶段炉内温度场分 布，并判断温度场的合理性。 ( 3 ) 分析共晶炉内温度的变化规律，检验其是否符合焊料共晶的要求，从而指 导l e d 芯片封装工艺的制订和共晶炉结构的优化改造。 ( 4 ) 对大功率l e d 灯具进行散热分析，分析结温与芯片功率、环境温度、空气 流速的关系，为大功率l e d 灯具的设计提供帮助。 1 5 本课题创新点 提出了大功率l e d 封装共晶炉的结构及加热方式，并对共晶炉进行应力、应变 及传热的综合有限元分析。 6 第2 章大功率l e d 封装共晶炉炉腔有限元分析 2 1 大功率l e d 封装共晶炉总体结构设计 本课题主要对大功率l e d 芯片进行封装，其单个芯片为8 x 6 m m ：陶瓷电路基 板的总面积为3 0 0 x 3 0 0 m m ；陶瓷电路基板表面镀a u s n 、a u g e 或a u s i 焊料2 u m ； 加热最高温度为5 0 0 c ，精度控制在在士l ；极限真空度为5 p a 。为此，设计的大功 率l e d 芯片封装共晶炉总体方案如图2 1 所示。分为加热系统、冷却系统、抽真空 系统、充气系统和控制系统等。 图2 1 共晶炉总体设计方案 f i g 2 1e u t e e t i ef u r n a c ed e s i g ns c h e m e ( 1 ) 加热系统：满足l e d 要求的加热腔体积：0 5 0 0 x 2 0 0 m m ；不锈钢焊接圆 筒；腔内底部放置加热器，接通两电极。加热器采用开槽石墨板。热电偶测温。 ( 2 ) 冷却系统：外围( 管道、炉壁、封盖) 采用水冷，选用i c l 1 型激光冷水 机，提供7 0 c 的出水温度和0 4 6 m 3 h 的水流量。炉腔内部采用充n 2 来快速冷却。 ( 3 ) 抽真空系统：采用t r p 3 6 型直联旋片式真空泵，在合理的时间内使炉腔 内真空度达到5 p a 。 ( 4 ) 充气系统：加热以及冷却过程中充入n 2 外加两路惰性气体( a r 、h e ) 进 行保护和带走热量。加热过程中惰性气体最大压力不超过0 4 m p a 。 ( 5 ) 控制系统：采用工控机控制。小键盘参数设置、液晶显示，能够准确指示 温度、气压、时间的变化等。 共晶炉核心部分是共晶炉加热室，它包含内外不锈钢腔室，两个铜棒电极，一 7 华中农业大学2 0 1 0 届硕上研究生学位论文 个开槽石墨板加热器，一个分上下两层的石墨夹具，夹具中间夹着芯片和陶瓷基板。 结构模型见图2 2 石墨板加热 夹具 陶瓷基板 内腔 外腔 图2 2 共晶炉结构模型图 f i g 2 2s t r u c t u r eo fh e a t i n gc h a m b e ro ft h ee u t e c t i cf u r n a c e 石墨板采用开槽是为了增加电阻。选用石墨作为加热器材料是由于石墨容易加 工，可快速加热和冷却，耐高温不变形，耐热冲击性好。并且石墨材料熔点高，蒸 汽压低，在真空气氛中可能含有低浓度的炭，存在的低浓度炭与残存气体中的氧气 和水蒸气分子发生反应，产生净化效果。这是任何其他金属元件都无法比拟的。石 墨板加热器的详图见图2 3 。 图2 3 石墨板加热器 f i g2 3g r a p h i t ep l a t eh e a t e r 采用上述设计方案，在真空可控气氛共晶炉的总体制造完成之后，对平台的软 硬件进行调试，使其加热室内温度变化符合共晶温度曲线，并达到封装大功率l e d 大功率l e d 芯片封装共晶炉及灯具的传热过程仿真分析 芯片的各项技术指标要求。 目前，共晶焊接技术在电子封装行业已经得到了广泛的应用，对于有较高散热 要求的大功率元器件必须采用共晶焊接。国际上对“真空可控气氛共晶炉 研究颇 多，近几年来连续推出了几种新设备，国内很多院校和研究所也进行了很多深入性 的研究。 本课题中选用的电加热元器件为石墨板加热器，石墨材料容易加工，热惯性小， 可以快速加热和冷却，耐高温，不易变形，耐热冲击性好。另外它的基本性质稳定， 特别在电性能，它可以制成较大电阻的电加热元器件。因此，在保证相同功率的条 件下，石墨可以提高元器件的电压并降低电流，因而可简化电极的引出结构，减少 能量损耗。并且石墨材料熔点高，蒸汽压低，在真空环境中含有低浓度的炭，但一 般来说不会使被处理元器件受到影响。正是由于这些低浓度的炭的存在与残留气体 中的氧气和水蒸气分子发生反应，才会产生净化氧气的效果，( 侯一雪，2 0 0 7 ) 。这 是任何其他金属元器件都无法比拟的。国内很多真空炉也都采用石墨作为加热器的 材料。因此在技术上是完全可行的。 本课题研究运用的真空设计、传热学等基础理论已被众多学者广泛应用于真空 炉的真空系统和热力学分析中。有限元法是一种能求得许多工程问题近似解的数值 分析方法，这种方法是一种优化共晶炉设计的重要工具，它投入少，见效快，模拟 结果对实际具有一定的指导意义。本项目应用了成熟的传热分析软件r a d t h e r m ，它 的传热分析技术在实物问题的仿真与计算结果的准确度上皆受到使用者的赞许。用 它来对真空炉腔内进行传热过程模拟分析，技术上完全是可行的。整个共晶炉的设 计和制造，在现有的技术上也是完全可行的。 2 2 大功率l e d 芯片封装共晶炉内腔数值计算 共晶炉属于压力容器，它在压力下工作，有一定的危险性，根据国家技术监督 局颁布的g b l 5 0 1 9 9 8 钢制压力容器，另采用s w 6 0 软件对共晶炉内腔进行数值 计算。计算受压的圆筒和各封头，以及开孔补强等。设计条件参数为：筒体内径为 5 0 0 m m ，筒体长度为2 0 0 m m ，设计最大压力为0 4 m p a ，设计最高温度为4 5 0 。c ，材 料为0 c r l 8 n i 9 。上封头为碟形封头，下封头为平盖封头。计算结果见表2 1 。 9 华中农些奎堂! ! ! ! 昼堡主堕窒生兰垡笙皇 一 一一 表2 1 共晶炉内腔计算 t a b 2 1c 坐坚! 兰垡2 翌2 1 生! 竺旦坠坐! 竺! 翌璺! ! ! 皇竺些l 一 _ - _ 一 p ( m p a ) 0 4设计压力 任i m m j ： “” 设计温度“。c ) ：4 5 0 名义厚度猷删旧： 8 压力试验温度下的屈服点盯： 2 0 5 材料名称：0 c r l 8 n i 9 常温下许用应力【0 1 ( m p a ) ： 1 3 7设计温度下许用应力【a 1 ( m p a ) ： 1 0 3 钢材厚度负偏差c i ( m m ) ：0 腐蚀裕量c 2 ( m m ) ： o 厚度附加量c = c l + c 2 ( 衄) ：0 焊接接头系数 1 压力试验类型： 液压试验压力硝m p a ) ：0 6 6 5 0 4 9 筒体长度l ，w ( m m ) ： 2 0 0 内筒外压计算长度l ( r a m ) ： 封头设计条件： 上封头： 封头形式： 名义厚度磊( m m ) ： 材料名称： 设计温度下的许用 应力【司。( m p a ) 钢材厚度负偏差c l ( 咖) ： 腐蚀裕量c z ( m m ) ： 厚度附加量c = c l + c 2 ( r a m ) ： 焊接接头系数 内圆筒体校核结果： 下封头： 封头形式： 名义厚度猷删叽) ： 材料名称： 设计温度下的许用 应力【碉( m p a ) 钢材厚度负偏差c i ( m m ) ： 腐蚀裕量c 2 ( m m ) ： 厚度附加量c = c l + c 2 ( m m ) ： 焊接接头系数 盐篡绪墨： 校核合格 内筒上封头校核结果： 校核合格 内筒下封头校核结果： 校核合格 质量m( k g ) ： 质量m( 1 【g ) ： 质量m( k 曲： 平盖 1 8 o c r l 斟移 1 0 3 o o o 1 2 0 0 4 2 2 7 2 2 9 5 5 一 最终计算结果表明：内圆筒体，上封头，下封头校核合格。 2 3 大功率l e d 芯片封装共晶炉内腔有限元分析 共晶炉内腔属于压力容器，它长期处于压力下工作，不连续区域，过渡区域， 通常是整个结构的高应力区域，对这些区域进行必要的应力分析是设计时必须考虑 的问题。 l o 觎8 一 m 。1 大功率l e d 芯片封装共晶炉及灯具的传热过程仿真分析 2 3 1 有限元软件介绍 a b a q u s 无论对简单或者复杂的线性和非线性的工程问题都提供了一套完整 而强大的有限元理论解决方案，对于众多领域中的结构，热和连接分析问题都能解 决。a b a q u s 是一套功能强大的工程模拟的有限元软件，其解决问题的范围从相对 简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。a b a q u s 包括一个丰富的、可模拟任意 几何形状的单元库。并拥有各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能， 其中包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫材 料以及土壤和岩石等地质材料。作为通用的模拟工具，a b a q u s 除了能解决大量结 构( 应力位移) 问题，还可以模拟其他工程领域的众多问题，例如热传导、质量扩 散、热电耦合分析、声学分析、岩土力学分析( 流体渗透应力耦合分析) 及压电介 质分析。a b a q u s 为用户提供了广泛的功能，且使用起来又非常简单。大量的复杂 问题可以通过选项块的不同组合很容易的模拟出来。例如，对于复杂多构件问题的 模拟是通过把定义每一构件的几何尺寸的选项块与相应的材料性质选项块结合起 来。在大部分模拟中，甚至高度非线性问题，用户只需提供一些工程数据，像结构 的几何形状、材料性质、边界条件及载荷工况。在一个非线性分析中，a b a q u s 能 自动选择相应载荷增量和收敛限度。他不仅能够选择合适的参数，而且能连续调节 参数以保证在分析过程中有效地得到精确解。用户通过准确的定义参数就能很好的 控制数值计算结果。a b a q u s 被广泛的认为是功能最强的有限元分析软件之一，特 别是在非线性分析领域，其技术和特点更是独树一帜，可以分析复杂的固体力学、 结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大、复杂的问题和模拟高度非线性问题。 a b a q u s 不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析，同时还可以做系统级的分 析和研究。a b a q u s 的系统级分析的特点相对于其他的分析软件来说是独一无二 的。由于a b a q u s 优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性使得a b a q u s 被各国 的工业和研究中所广泛的采用。a b a q u s 产品在大量的高科技产品研究中都发挥着 巨大的作用。 2 3 2 内腔有限元分析 共晶炉内腔内径为5 0 0 m m ，筒体高度为2 0 0 r a m ，上封头为碟形封头，下封头为 平盖封头，材料为0 c r l8 n i 9 ，设计最大压力为0 4 m p a 。设计压力为四个大气压，即 0 4 m p a ，材料的弹性模量为2 1 0 5 m p a ，泊松比为o 3 。在a b a q u s 建立模型，设 置参数进行仿真分析，模型应力云图如图2 4 所示。 华中农业大学2 0 1 0 届硕士研究生学位论文 图2 4 内腔的应力模型云图 f i g 2 4s t r e s sd i s t r i b u t i o no