2 有限元数值模拟分析

　　2.1 有限元模型建立

　　本文首先针对实际使用的小电极LED器件模型进行了三维几何构建，如图1所示。其中键合线由芯片电极植球引出，向支架焊盘处实现楔形键合。芯片、支架、键合线、封装胶一一装配约束。

　　图1 LED三维几何模型

　　LED器件模型中的主要材料热力学特性参数如表1所示，包括密度ρ、热膨胀系数α、弹性模量E、泊松比ν和传热系数K。

　　表1 材料特性参数

　　为了求解LED三维模型的热应力，特别是LED键合线的热应力分布，对封装结构进行了有限元网格划分，其中芯片及电极等细微结构部分进行精细化分，如图2所示。

　　图2 LED三维有限元模型

　　以冷热冲击试验条件对LED有限元模型施加温度载荷，如图3所示。高低温温度区间为(-40℃-100℃)，保温时间为30min，升/降温时间为10s，零应力参考温度为25℃。

　　图3 LED有限元模型温度载荷

　　对LED有限元模型中心施以刚性约束，其余部分可自由发生形变。

　　2.2 LED键合线热应力分析

　　从有限元数值分析结果来看，对于小电极LED，在冷热冲击试验条件下，LED各封装材料发生周期性地膨胀与收缩。当温度下降至﹣40℃时， LED各材料发生收缩变形，由于封装胶热膨胀系数明显大于金线，因此键合线受到封装胶收缩产生的向内压应力，如图4所示，键合线线弧呈向内倾倒趋势。

　　图4 -40℃LED键合线压缩变形图

　　键合线线弧内侧最大压应力位于直线段与线弧段的过渡拐点，外侧最大压应力位于直线段与焊球之间的键合点，线弧外侧受到的压应力大于线弧内侧受到的压应力，如图5所示。

　　图5 -40℃键合线线弧压应力分布图

　　当温度上升至100℃时， LED各材料发生膨胀变形，同样由于胶体的膨胀变形较大，对键合线造成向外的拉伸应力，如图6所示，键合线向外侧倾倒。

　　图6 100℃LED键合线拉伸变形图

　　键合线线弧内侧最大拉应力位于直线段与线弧段的过渡拐点，外侧最大拉应力位于直线段与焊球之间的键合点，线弧外侧受到的拉应力大于线弧内侧受到的拉应力，如图7所示。

　　图7 100℃键合线线弧拉应力分布图

　　总体而言，冷热冲击过程中金属线的最大热应力如表2所示。可以看到：LED键合线在100℃高温段受到的热应力最大，应力最大点位于线弧直线段与焊球之间的键合点。

　　表2 冷热冲击过程金属线最大热应力表