國(guó)內(nèi)外大功率LED散熱封裝技術(shù)的研究

文章來(lái)源:恒光電器

發(fā)布時(shí)間:2014-03-07

瀏覽次數(shù):次

 發(fā)光二極管(LED)誕生至今,，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全彩化和高亮度化,，照明方案，并在藍(lán)光LED和紫光LED的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了白光LED,。它為人的總稱照明史又帶來(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),，辦公照明，長(zhǎng)命命,，環(huán)保,，省電等一系列優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于汽車照明,、扮飾照明,、電話閃光燈、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(dǎo)體制成在~I-DN電場(chǎng)作用下,。電子與空穴的輻射復(fù)合而發(fā)生的電致作用將一部分能量轉(zhuǎn)化為光能。即量子效應(yīng),，而無(wú)輻射復(fù)合孕育發(fā)生的晶格振動(dòng)將其余的能量轉(zhuǎn)化為熱能,。今朝，高亮度白光LED在實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)達(dá)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(dá)到了1,、5kW。對(duì)大于1W級(jí)的大功率LED而言,，今朝的電光轉(zhuǎn)換效率約為15%,，剩余的85%轉(zhuǎn)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(tǒng)的照明器件不同,，CE認(rèn)證,，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(xiàn)產(chǎn)業(yè)化亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題之一。

　　2熱效應(yīng)對(duì)大功率LED的影響

　　對(duì)于單個(gè)LED而言,。如果熱能集中在尺寸很小的芯片內(nèi)而不能有效散出,。則會(huì)導(dǎo)致芯片的溫度升高。引起熱應(yīng)力的非勻稱分布,、芯片發(fā)光效率和熒光粉激射效率下降,。研究表明，當(dāng)溫度超過(guò)一定值時(shí),。器件的失效率將呈指數(shù)規(guī)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(jié)的結(jié)溫在110℃以下。跟著pn結(jié)的溫升,。白光LED器件的發(fā)光波長(zhǎng)將發(fā)生紅移據(jù)計(jì)數(shù)資料表明,。在100℃的溫度下。波長(zhǎng)可以紅移4～9nm,。從而導(dǎo)致YAG熒光粉吸收率下降,，總的發(fā)光強(qiáng)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(qiáng)度會(huì)相應(yīng)削減l%左右,。當(dāng)器件從環(huán)境溫度上升到l20℃時(shí),。亮度下降多達(dá)35%。當(dāng)多個(gè)LED密集擺列構(gòu)成白光照明系統(tǒng)時(shí),。熱能的耗散需要?jiǎng)e人解答的題目更嚴(yán)重,。因此解決散熱需要?jiǎng)e人解答的題目已成為功率型LED應(yīng)用的先決條件,。

　　3國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展

　　針對(duì)高功率LED的封裝散熱難題。國(guó)內(nèi)外的器件預(yù)設(shè)者和制造者分別在布局,、材料和工藝等方面對(duì)器件的熱系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化預(yù)設(shè),。例如。在封裝布局上,，接納大面積芯片倒裝布局,、金屬線路板布局、導(dǎo)熱槽布局,、微流陣列布局等,；在材料的選取方面，國(guó)際資訊,，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(shí)決高功率LED的封裝散熱難題,，國(guó)際上開(kāi)發(fā)了多種布局，超市照明,，主要有：

　　(1)硅基倒裝芯片(FCLED)布局

　　傳統(tǒng)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(lán)寶石作為襯底,。由于環(huán)氧樹(shù)脂的導(dǎo)熱能力很差,。藍(lán)寶石又是熱的不良導(dǎo)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(duì)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(lán)寶石襯底,。而是直接傳到熱導(dǎo)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(qū)更接近于散熱體,。因此可減低內(nèi)部熱沉熱阻[21。這類布局的熱阻意見(jiàn)計(jì)算最低可達(dá)到1,。34K/W,。實(shí)際已作到6~8K/W，出光率也提高了60%左右,�,？墒牵瑹嶙枧c熱沉的厚度是成正比的,。因此受硅片機(jī)械強(qiáng)度與導(dǎo)熱性能所限,。很難通過(guò)減薄硅片來(lái)進(jìn)一步減低內(nèi)部熱沉的熱阻，3c認(rèn)證,，這就制約了其傳熱性能的進(jìn)一步提高,。

　　⑵金屬線路板布局

　　金屬線路板布局利用鋁等金屬具有極佳的熱傳導(dǎo)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,，車間照明,，以解決LED因功率增大所帶來(lái)的散熱需要?jiǎng)e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(guó)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(duì)LED器件進(jìn)行電極連接布線,。鋁芯夾層作為熱沉散熱。圖2示出金屬線路板布局,。其缺陷在于,，夾層中的PCB板是熱的不良導(dǎo)體。它會(huì)阻礙熱能的傳導(dǎo),。據(jù)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路板上,，在LED器件與金屬線路板之間涂敷1898In—Sil一8熱接口材料,，其系統(tǒng)熱阻約為66。12K/Wt”,。

(3)微浦布局

　　2006年ShengLiu等人通過(guò)在散熱器上安裝一個(gè)微浦系統(tǒng),，解決了LED的散熱需要?jiǎng)e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(tǒng)中,，水在微浦的作用下步入了LED的底板小槽吸熱，工程照明,，然后又回到小的水容器中,，再通過(guò)風(fēng)扇吸熱。圖3示出這類微浦布局,。它能將外部熱阻降為O,。192K/W,。并能進(jìn)行封裝[41。這類微布局的制冷性較好,。但如前兩種布局一樣,，若內(nèi)部接口的熱阻很大，則其熱傳導(dǎo)就會(huì)大打折扣,。而且布局也嫌復(fù)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(tǒng)熱阻，提高系統(tǒng)導(dǎo)熱性能,。今朝,，LED射燈，國(guó)內(nèi)外常針對(duì)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(duì)于大功率的LED而言，為相識(shí)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斷開(kāi)的需要?jiǎng)e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(guī)模、低成本生產(chǎn),。選用導(dǎo)熱性能好的鋁板,、銅板作為散熱基板材料是當(dāng)前的研究重點(diǎn)之一圈。

　�,、普掣讲牧�

　　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(duì)保證器件的熱導(dǎo)特性是十分重要的,。通常選用導(dǎo)熱膠,、導(dǎo)電型銀漿和錫漿這3種材料進(jìn)行粘附。導(dǎo)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(duì)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(jié)

　　總的來(lái)說(shuō)。具有低熱阻,、良好散熱能力和低機(jī)械應(yīng)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(jié)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(jié)的散熱需要?jiǎng)e人解答的題目。由這3個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成的固態(tài)照明光源熱傳導(dǎo)通道,。此中浮現(xiàn)任何一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)都會(huì)使LED光源毀于一旦,。結(jié)點(diǎn)到周圍環(huán)境的熱傳導(dǎo)體式格局有傳導(dǎo)、對(duì)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(jié)都要接納熱導(dǎo)系數(shù)高的材料,。

　　4發(fā)展趨勢(shì)