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大功率LED封装散热技术



1 引 言

  发光二极管(LED)诞生至今.已经实现了全彩化和高亮度化,并在蓝光LED和紫光LED的基础上开发了白光LED.它为人类照明史又带来了一次飞跃。与自炽灯和荧光灯相比,LED以其体积小,全固态,长寿命,环保,省电等一系列优点,已广泛用于汽车照明、装饰照明、手机闪光灯、大中尺寸,即NB和LCD.TV等显示屏光源模块中。已经成为2l世纪最具发展前景的高技术领域之一LED是一种注入电致发光器件.由Ⅲ~Ⅳ 族化合物,如磷化镓(GaP)、磷砷化镓(GaAsP)等半导体制成 在~I-DN电场作用下.电子与空穴的辐射复合而发生的电致作用将一部分能量转化为光能. 即量子效应,而无辐射复合产生的晶格振荡将其余的能量转化为热能。目前,高亮度白光LED在实验室中已经达到1001m/W 的水平,501m/w 的大功率白光LED也已进入商业化,单个LED器件也从起初的几毫瓦一跃达到了1.5kW。对大于1W 级的大功率LED而言,目前的电光转换效率约为15%,剩余的85%转化为热能.而芯片尺寸仅为1mm×1mm~2.5mm~2.5mm.意即芯片的功率密度很大 与传统的照明器件不同,白光LED的发光光谱中不包含红外部分.所以其热量不能依靠辐射释放。因此,如何提高散热能力是大功率LED实现产业化亟待解决的关键技术难题之一l】1。

2 热效应对大功率LED的影响

  对于单个LED而言.如果热量集中在尺寸很小的芯片内而不能有效散出.则会导致芯片的温度升高.引起热应力的非均匀分布、芯片发光效率和荧光粉激射效率下降。研究表明,当温度超过一定值时.器件的失效率将呈指数规律攀升.元件温度每上升2℃,可靠性将下降l0%l2】。为了保证器件的寿命,一般要求pn结的结温在110℃以下。随着pn结的温升.白光LED器件的发光波长将发生红移据统计资料表明.在100℃的温度下.波长可以红移4~9 nm.从而导致YAG荧光粉吸取率下降,总的发光强度会减少,白光色度变差。在室温附近,温度每升高l℃.LED的发光强度会相应减少l%左右.当器件从环境温度上升到l20℃时.亮度下降多达35%。当多个LED密集排列组成白光照明系统时.热量的耗散问题更严重。因此解决散热问题已成为功率型LED应用的先决条件。

3 国内外的研究进展

  针对高功率LED的封装散热难题.国内外的器件设计者和制造者分别在结构、材料以及工艺等方面对器件的热系统进行了优化设计。例如。在封装结构上,采用大面积芯片倒装结构、金属线路板结构、导热槽结构、微流阵列结构等;在材料的选取方面,选择合适的基板材料和粘贴材料,用硅树脂代替环氧树脂。

  3.1 封装结构

  为了解决高功率LED的封装散热难题,国际上开发了多种结构,主要有:

   (1)硅基倒装芯片(FCLED)结构

  传统的LED采用正装结构,上面通常涂敷一层环氧树脂.下面采用蓝宝石作为衬底。由于环氧树脂的导热能力很差。蓝宝石又是热的不良导体,热量只能靠芯片下面的引脚散出,因此前后两方面都造成散热困难.影响了器件的性能和可靠性。

  2001年.LumiLeds企业研制出了A1GaInN功率型倒装芯片结构。图1示出芯片的正装结构和倒装结构对比 LED芯片通过凸点倒装连接到硅基上。这样.大功率LED产生的热量不必经由芯片的蓝宝石衬底.而是直接传到热导率更高的硅或陶瓷衬底,再传到金属底座,由于其有源发热区更接近于散热体.因此可降低内部热沉热阻[21。这种结构的热阻理论计算最低可达到1.34K/W.实际已作到6~8K/W,出光率也提高了60%左右。但是,热阻与热沉的厚度是成正比的.因此受硅片机械强度与导热性能所限。很难通过减薄硅片来进一步降低内部热沉的热阻,这就制约了其传热性能的进一步提高。

   (2)金属线路板结构

  金属线路板结构利用铝等金属具有极佳的热传导性质.将芯片封装到覆有几毫米厚的铜电极的PCB板上,或者将芯片封装在金属夹芯的PCB板上.然后再封装到散热片上,以解决LED因功率增大所带来的散热问题。采用该结构能获得良好的散热特性,并大大提高了LED的输入功率【3】。美国UOE企业的Norlux系列LED.将已封装的产品组装在带有铝夹层的金属芯PCB板上.其中PCB板用作对LED器件进行电极连接布线.铝芯夹层作为热沉散热。图2示出金属线路板结构。其缺陷在于,夹层中的PCB板是热的不良导体.它会阻碍热量的传导。据研究,将OSRAM企业的Golden Dragon系列白光LED芯片LW W5SG倒装在一块3ram~3mm.且水平放置的金属线路板上,在LED器件与金属线路板之间涂敷1898In—Sil一8热接口材料,其系统热阻约为66.12K/Wt”。

   (3)微泵浦结构

  2006年Sheng Liu等人通过在散热器上安装一个微泵浦系统,解决了LED的散热问题,并发现其散热性能优于散热管和散热片。在封闭系统中,水在微泵浦的作用下进入了LED的底板小槽吸热,然后又回到小的水容器中,再通过风扇吸热。图3示出这种微泵浦结构。它能将外部热阻降为O.192K/W.并能进行封装[41。这种微泵结构的制冷性较好.但如前两种结构一样,若内部接口的热阻很大,则其热传导就会大打折扣.而且结构也嫌复杂。

  3.2 封装材料

  确定封装结构后.可通过选取不同的材料进一步降低系统热阻,提高系统导热性能。目前,国内外常针对基板材料、粘贴材料和封装材料进行择优。

   (1)基板材料

  对于大功率的LED而言,为了解决芯片材料与散热材料之间因热膨胀失配造成电极引线断裂的问题.可选用陶瓷、Cu/Mo板和Cu/W板等合金作为散热材料,但这些合金的生产成本过高,不利于大规模、低成本生产。选用导热性能好的铝板、铜板作为散热基板材料是当前的研究重点之一圈。

   (2)粘贴材料

  选用合适的芯片衬底粘贴材料.并在批量生产工艺中保证粘贴厚度尽量小.这对保证器件的热导特性是十分重要的。通常选用导热胶、导电型银浆和锡浆这3种材料进行粘贴。导热胶虽有较低的硬化温度(<150~C),但导热特性较差;导电型银浆粘贴的硬化温度一般低于200~C,既有良好的热导特性.又有较好的粘贴强度,但因银浆在提升亮度的同时会发热,且含铅等有毒金属,因此并不是粘贴材料的最佳选择。与前两者相比,导电型锡浆的热导特性是3种材料中最优的,导电性能也非常优越【l】。

   (3)环氧树脂

  环氧树脂作为LED器件的封装材料。具有优良的电绝缘性能、密着性和介电性能,但环氧树脂具有吸湿性,易老化,耐热性差,高温和短波光照下易变色,而且在固化前有一定的毒性,故对LED器件的寿命造成影响。目前许多LED封装业者改用硅树脂和陶瓷代替环氧树脂作为封装材料,以提高LED的寿命。

  3.3 小 结

  总的来说.具有低热阻、良好散热能力以及低机械应力的新式封装结构是封装体的技术关键。不同的结构和材料都需要解决芯片结到外延层、外延层到封装基板、封装基板到冷却装置这3个环节的散热问题。由这3个环节构成的固态照明光源热传导通道.其中出现任何一个薄弱环节都会使LED光源毁于一旦。结点到周围环境的热传导方式有传导、对流、辐射3种。意即,要想将功率LED的散热性能和可靠性提升到最高.这三个环节都要采用热导系数高的材料。

       4 发展趋势

  目前.很多功率型LED的驱动电流都能达到70mA,lOOmA甚至lA级。随着工作电流的加大,解决散热问题己成为大功率LED实现产业化的先决条件。根据上述LED器件的散热环节.从以下几方面对提高大功率LED的散热性能进行了研究。

  (1)LED产生热量的多少取决于内量子效应。在氮化镓材料的生长过程中,改进材料结构.优化生长参数,获得高质量的外延片,提高器件内量子效率,从根本上减少热量的产生,加快芯片结到外延层的热传导。

  (2)选择以铝基为主的金属芯印刷电路板(MC—PCB)、陶瓷、DBC、复合金属基板等导热性能好的材料作衬底,以加快热量从外延层向散热基板散发。通过优化MCPCB板的热设计.或将陶瓷直接绑定在金属基板上形成金属基低温烧结陶瓷(LTCC—M)基板,以获得热导性能好.热膨胀系数小的衬底。

  (3)为了使衬底上的热量更迅速地扩散到周围环境.通常选用铝、铜等导热性能好的金属材料作为散热器。再加装风扇和回路热管等强制制冷。无论从成本还是外观的角度来看.LED照明都不宜采用外部冷却装置。因此根据能量守恒定律,利用压电陶瓷作为散热器,把热量转化成振动方式直接消耗热能将成为未来研究的重点之一。

  (4)对于大功率LED器件而言,其总热阻是pn结到外界环境热路上几个热沉的热阻之和,其中包括LED本身的内部热沉热阻、内部热沉到PCB板之间的导热胶的热阻、PCB板与外部热沉之间的导热胶的热阻、外部热沉的热阻等,传热回路中的每一个热沉都会对传热造成一定的阻碍,因此经过长期研究认为。减少内部热沉数量,并采用薄膜工艺将必不可少的接口电极热沉、绝缘层直接制作在金属散热器上.能够大幅度降低总热阻.这种技术有可能成为今后大功率LED散热封装的主流方向。

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