國內外大功率LED散熱封裝技術(shù)的研究

　　發(fā)光二極管(LED)誕生至今，已經(jīng)實(shí)現了全彩化和高亮度化，并在藍光LED和紫光LED的基礎上開(kāi)發(fā)了白光LED。它為人的總稱(chēng)照明史又帶來(lái)了一次奔騰。與自熾燈和熒光燈相比，LED以其體積小，全固態(tài)，長(cháng)命命，環(huán)保，省電等一系列優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于汽車(chē)照明、扮飾照明、電話(huà)閃光燈、大中尺寸，即NB和LCD。TV等顯示屏光源模塊中。

　　已經(jīng)成為2l百年最具發(fā)展前景的高技術(shù)范疇之一LED是一種注入電致發(fā)光器件。由Ⅲ～Ⅳ族化合物，如磷化鎵(GaP)、磷砷化鎵(GaAsP)等半導體制成在~I-DN電場(chǎng)作用下。電子與空穴的輻射復合而發(fā)生的電致作用將一部分能量轉化為光能。即量子效應，而無(wú)輻射復合孕育發(fā)生的晶格振動(dòng)將其余的能量轉化為熱能。今朝，高亮度白光LED在實(shí)驗室中已經(jīng)達到1001m/W的水平，501m/w的大功率白光LED也已步入商業(yè)化，單個(gè)LED器件也從起初的幾毫瓦一躍達到了1、5kW。對大于1W級的大功率LED而言，今朝的電光轉換效率約為15%，剩余的85%轉化為熱能。而芯片尺寸僅為1mm×1mm～2。5mm~2。5mm。意即芯片的功率密度很大與傳統的照明器件不同，白光LED的發(fā)光光譜中不包含紅外部分。以是其熱能不能依靠輻射釋放。因此，如何提高散熱能力是大功率LED實(shí)現產(chǎn)業(yè)化亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。

　　2熱效應對大功率LED的影響

　　對于單個(gè)LED而言。如果熱能集中在尺寸很小的芯片內而不能有效散出。則會(huì )導致芯片的溫度升高。引起熱應力的非勻稱(chēng)分布、芯片發(fā)光效率和熒光粉激射效率下降。研究表明，當溫度超過(guò)一定值時(shí)。器件的失效率將呈指數規律爬升。元件溫度每上升2℃，可靠性將下降l0%l。為了保證器件的壽命，一般要求pn結的結溫在110℃以下。跟著(zhù)pn結的溫升。白光LED器件的發(fā)光波長(cháng)將發(fā)生紅移據計數資料表明。在100℃的溫度下。波長(cháng)可以紅移4～9nm。從而導致YAG熒光粉吸收率下降，總的發(fā)光強度會(huì )削減，白光色度變差。在室溫相近，溫度每升高l℃。LED的發(fā)光強度會(huì )相應削減l%左右。當器件從環(huán)境溫度上升到l20℃時(shí)。亮度下降多達35%。當多個(gè)LED密集擺列構成白光照明系統時(shí)。熱能的耗散需要別人解答的題目更嚴重。因此解決散熱需要別人解答的題目已成為功率型LED應用的先決條件。

　　3國內外的研究進(jìn)展

　　針對高功率LED的封裝散熱難題。國內外的器件預設者和制造者分別在布局、材料和工藝等方面對器件的熱系統進(jìn)行了優(yōu)化預設。例如。在封裝布局上，接納大面積芯片倒裝布局、金屬線(xiàn)路板布局、導熱槽布局、微流陣列布局等;在材料的選取方面，選擇合適的基板材料和粘附材料，用硅樹(shù)脂代替環(huán)氧樹(shù)脂。

　　3、1封裝布局

　　為相識決高功率LED的封裝散熱難題，國際上開(kāi)發(fā)了多種布局，主要有：

　　(1)硅基倒裝芯片(FCLED)布局

　　傳統的LED接納正裝布局，上面通常涂敷一層環(huán)氧樹(shù)脂。下面接納藍寶石作為襯底。由于環(huán)氧樹(shù)脂的導熱能力很差。藍寶石又是熱的不良導體，熱能只能靠芯片下面的引腳散出，因此前后兩方面都造成散熱困難。影響了器件的性能和可靠性。

　　2001年。LumiLeds公司研制出了A1GaInN功率型倒裝芯片布局。圖1示出芯片的正裝布局和倒裝布局對比LED芯片通過(guò)凸點(diǎn)倒裝連接到硅基上。這樣。大功率LED孕育發(fā)生的熱能不必經(jīng)由芯片的藍寶石襯底。而是直接傳到熱導率更高的硅或瓷陶襯底，再傳到金屬底座，由于其有源發(fā)熱區更接近于散熱體。因此可減低內部熱沉熱阻[21。這類(lèi)布局的熱阻意見(jiàn)計算最低可達到1。34K/W。實(shí)際已作到6~8K/W，出光率也提高了60%左右?？墒?，熱阻與熱沉的厚度是成正比的。因此受硅片機械強度與導熱性能所限。很難通過(guò)減薄硅片來(lái)進(jìn)一步減低內部熱沉的熱阻，這就制約了其傳熱性能的進(jìn)一步提高。

　?、平饘倬€(xiàn)路板布局

　　金屬線(xiàn)路板布局利用鋁等金屬具有極佳的熱傳導性子。將芯片封裝到覆有幾毫米厚的銅電極的PCB板上，或者將芯片封裝在金屬夾芯的PCB板上。然后再封裝到散熱片上，以解決LED因功率增大所帶來(lái)的散熱需要別人解答的題目。接納該布局能獲患上良好的散熱特性，并大大提高了LED的輸入功率。

　　美國UOE公司的Norlux系列LED。將已封裝的產(chǎn)品組裝在帶有鋁夾層的金屬芯PCB板上。此中PCB板用作對LED器件進(jìn)行電極連接布線(xiàn)。鋁芯夾層作為熱沉散熱。圖2示出金屬線(xiàn)路板布局。其缺陷在于，夾層中的PCB板是熱的不良導體。它會(huì )阻礙熱能的傳導。據研究，將OSRAM公司的GoldenDragon系列白光LED芯片LWW5SG倒裝在一塊3ram~3mm。且水平放置的金屬線(xiàn)路板上，在LED器件與金屬線(xiàn)路板之間涂敷1898In—Sil一8熱接口材料，其系統熱阻約為66。12K/Wt”。

　　(3)微泵浦布局

　　2006年ShengLiu等人通過(guò)在散熱器上安裝一個(gè)微泵浦系統，解決了LED的散熱需要別人解答的題目，并發(fā)明其散熱性能優(yōu)于散熱管和散熱片。在關(guān)閉系統中，水在微泵浦的作用下步入了LED的底板小槽吸熱，然后又回到小的水容器中，再通過(guò)風(fēng)扇吸熱。圖3示出這類(lèi)微泵浦布局。它能將外部熱阻降為O。192K/W。并能進(jìn)行封裝[41。這類(lèi)微泵布局的制冷性較好。但如前兩種布局一樣，若內部接口的熱阻很大，則其熱傳導就會(huì )大打折扣。而且布局也嫌復雜。

　　3、2封裝材料

　　確定封裝布局后?？赏ㄟ^(guò)選取不同的材料進(jìn)一步減低系統熱阻，提高系統導熱性能。今朝，國內外常針對基板材料、粘附材料和封裝材料進(jìn)行擇優(yōu)。

　　(1)基板材料

　　對于大功率的LED而言，為相識決芯片材料與散熱材料之間因加熱膨脹失配造成電極引線(xiàn)斷開(kāi)的需要別人解答的題目?？蛇x用瓷陶、Cu/Mo板和Cu/W板等合金作為散熱材料，但這些個(gè)合金的生產(chǎn)成本過(guò)高，不利于大規模、低成本生產(chǎn)。選用導熱性能好的鋁板、銅板作為散熱基板材料是當前的研究重點(diǎn)之一圈。

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　　選用合適的芯片襯底粘附材料。并在批量生產(chǎn)工藝中保證粘附厚度盡量小。這對保證器件的熱導特性是十分重要的。通常選用導熱膠、導電型銀漿和錫漿這3種材料進(jìn)行粘附。導熱膠雖有較低的硬化溫度LED器件的封裝材料。具有優(yōu)良的電絕緣性能、密著(zhù)性和介電性能，但環(huán)氧樹(shù)脂具有吸濕性，易老化，耐熱性差，高溫和短波光照下易變色，而且在固化前有一定的毒性，故對LED器件的壽命造成影響。今朝許多LED封裝業(yè)者改用硅樹(shù)脂和瓷陶代替環(huán)氧樹(shù)脂作為封裝材料，以提高LED的壽命。

　　3、3小結

　　總的來(lái)說(shuō)。具有低熱阻、良好散熱能力和低機械應力的新式封裝布局是封裝體的技術(shù)關(guān)鍵。不同的布局和材料都需要解決芯片結到外延層、外延層到封裝基板、封裝基板到冷卻裝置這3個(gè)環(huán)節的散熱需要別人解答的題目。由這3個(gè)環(huán)節構成的固態(tài)照明光源熱傳導通道。此中浮現任何一個(gè)薄弱環(huán)節都會(huì )使LED光源毀于一旦。結點(diǎn)到周?chē)h(huán)境的熱傳導體式格局有傳導、對流、輻射3種。意即，要想將功率LED的散熱性能和可靠性提升到最高。這三個(gè)環(huán)節都要接納熱導系數高的材料。

　　4發(fā)展趨勢

　　今朝。很多功率型LED的驅動(dòng)電流都能達到70mA，lOOmA甚至lA*級。跟著(zhù)工作電流的加大，解決散熱需要別人解答的題目己成為大功率LED實(shí)現產(chǎn)業(yè)化的先決條件。按照上述LED器件的散熱環(huán)節。從以下幾方面對提高大功率LED的散熱性能進(jìn)行了研究。

　　(1)LED孕育發(fā)生熱能的多少取決于內量子效應。在氮化鎵材料的生長(cháng)過(guò)程當中，改進(jìn)材料布局。優(yōu)化生長(cháng)參數，獲患上高質(zhì)量的外延片，提高器件內量子效率，從底子上削減熱能的孕育發(fā)生，加快芯片結到外延層的熱傳導。

　?、七x擇以鋁基為主的金屬芯印刷電路板(MC—PCB)、瓷陶、DBC、復合金屬基板等導熱性能好的材料作襯底，以加快熱能從外延層向散熱基板散發(fā)。通過(guò)優(yōu)化MCPCB板的熱預設?；驅⒋商罩苯咏壎ㄔ诮饘倩迳闲纬山饘倩蜏責Y瓷陶(LTCC—M)基板，以獲患上熱導性能好。加熱膨脹系數小的襯底。

　　(3)為了使襯底上的熱能更迅速地廓張到周?chē)h(huán)境。通常選用鋁、銅等導熱性能好的金屬材料作為散熱器。再加裝風(fēng)扇和回路熱管等強制制冷。無(wú)論從成本還是外觀(guān)的角度來(lái)看。LED照明都不宜接納外部冷卻裝置。因此按照能量守恒定律，利用壓電瓷陶作為散熱器，把熱能轉化成振動(dòng)體式格局直接消耗熱能將成為未來(lái)研究的重點(diǎn)之一。

　　(4)對于大功率LED器件而言，其總熱阻是pn結到外界環(huán)境熱路上幾個(gè)熱沉的熱阻之和，此中包孕LED本身的內部熱沉熱阻、內部熱沉到PCB板之間的導熱膠的熱阻、PCB板與外部熱沉之間的導熱膠的熱阻、外部熱沉的熱阻等，傳熱回路中的每一個(gè)熱沉都會(huì )對傳熱造成一定的阻礙，因此經(jīng)太長(cháng)期研究認為。削減內部熱沉數量，并接納薄膜工藝將必不可少的接口電熾熱沉、絕緣層直接建造在金屬散熱器上?？梢曰蛟S大幅度減低總熱阻。這類(lèi)技術(shù)有可能成為此后大功率LED散熱封裝的主流方向。

　　來(lái)源：新世紀LED網(wǎng)