大功率LED封裝散熱技術(shù)

March 15, 2019

1 引 言

　　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，并在藍(lán)光LED和紫光LED的基礎(chǔ)上開發(fā)了白光LED．它為人類照明史又帶來了一次飛躍。與自熾燈和熒光燈相比，LED以其體積小，全固態(tài)，長(zhǎng)壽命，環(huán)保，省電等一系列優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于汽車照明、裝飾照明、手機(jī)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世紀(jì)最具發(fā)展前景的高技術(shù)領(lǐng)域之一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)，而無輻射復(fù)合產(chǎn)生的晶格振蕩將其余的能量轉(zhuǎn)化為熱能。目前，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也已進(jìn)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，目前的電光轉(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，白光LED的發(fā)光光譜中不包含紅外部分．所以其熱量不能依靠輻射釋放。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l】1。

2 熱效應(yīng)對(duì)大功率LED的影響

　　對(duì)于單個(gè)LED而言．如果熱量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)力的非均勻分布、芯片發(fā)光效率和熒光粉激射效率下降。研究表明，當(dāng)溫度超過一定值時(shí)．器件的失效率將呈指數(shù)規(guī)律攀升．元件溫度每上升2℃，可靠性將下降l0％l2】。為了保證器件的壽命，一般要求pn結(jié)的結(jié)溫在110℃以下。隨著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)統(tǒng)計(jì)資料表明．在100℃的溫度下．波長(zhǎng)可以紅移4～9 nm．從而導(dǎo)致YAG熒光粉吸收率下降，總的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)減少，白光色度變差。在室溫附近，溫度每升高l℃．LED的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)減少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密集排列組成白光照明系統(tǒng)時(shí)．熱量的耗散問題更嚴(yán)重。因此解決散熱問題已成為功率型LED應(yīng)用的先決條件。

3 國內(nèi)外的研究進(jìn)展

　　針對(duì)高功率LED的封裝散熱難題．國內(nèi)外的器件設(shè)計(jì)者和制造者分別在結(jié)構(gòu)、材料以及工藝等方面對(duì)器件的熱系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如。在封裝結(jié)構(gòu)上，采用大面積芯片倒裝結(jié)構(gòu)、金屬線路板結(jié)構(gòu)、導(dǎo)熱槽結(jié)構(gòu)、微流陣列結(jié)構(gòu)等；在材料的選取方面，選擇合適的基板材料和粘貼材料，用硅樹脂代替環(huán)氧樹脂。

　　3．1 封裝結(jié)構(gòu)

　　為了解決高功率LED的封裝散熱難題，國際上開發(fā)了多種結(jié)構(gòu)，主要有：

　　　(1)硅基倒裝芯片(FCLED)結(jié)構(gòu)

　　傳統(tǒng)的LED采用正裝結(jié)構(gòu)，上面通常涂敷一層環(huán)氧樹脂．下面采用藍(lán)寶石作為襯底。由于環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱能力很差。藍(lán)寶石又是熱的不良導(dǎo)體，熱量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功率型倒裝芯片結(jié)構(gòu)。圖1示出芯片的正裝結(jié)構(gòu)和倒裝結(jié)構(gòu)對(duì)比 LED芯片通過凸點(diǎn)倒裝連接到硅基上。這樣．大功率LED產(chǎn)生的熱量不必經(jīng)由芯片的藍(lán)寶石襯底．而是直接傳到熱導(dǎo)率更高的硅或陶瓷襯底，再傳到金屬底座，由于其有源發(fā)熱區(qū)更接近于散熱體．因此可降低內(nèi)部熱沉熱阻[21。這種結(jié)構(gòu)的熱阻理論計(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。但是，熱阻與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。很難通過減薄硅片來進(jìn)一步降低內(nèi)部熱沉的熱阻，這就制約了其傳熱性能的進(jìn)一步提高。

　　　(2)金屬線路板結(jié)構(gòu)

　　金屬線路板結(jié)構(gòu)利用鋁等金屬具有極佳的熱傳導(dǎo)性質(zhì)．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因功率增大所帶來的散熱問題。采用該結(jié)構(gòu)能獲得良好的散熱特性，并大大提高了LED的輸入功率【3】。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．其中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示出金屬線路板結(jié)構(gòu)。其缺陷在于，夾層中的PCB板是熱的不良導(dǎo)體．它會(huì)阻礙熱量的傳導(dǎo)。據(jù)研究，將OSRAM公司的Golden Dragon系列白光LED芯片LW W5SG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)微泵浦結(jié)構(gòu)

　　2006年Sheng Liu等人通過在散熱器上安裝一個(gè)微泵浦系統(tǒng)，解決了LED的散熱問題，并發(fā)現(xiàn)其散熱性能優(yōu)于散熱管和散熱片。在封閉系統(tǒng)中，水在微泵浦的作用下進(jìn)入了LED的底板小槽吸熱，然后又回到小的水容器中，再通過風(fēng)扇吸熱。圖3示出這種微泵浦結(jié)構(gòu)。它能將外部熱阻降為O．192K／W．并能進(jìn)行封裝[41。這種微泵結(jié)構(gòu)的制冷性較好．但如前兩種結(jié)構(gòu)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．而且結(jié)構(gòu)也嫌復(fù)雜。

　　3．2 封裝材料

　　確定封裝結(jié)構(gòu)后．可通過選取不同的材料進(jìn)一步降低系統(tǒng)熱阻，提高系統(tǒng)導(dǎo)熱性能。目前，國內(nèi)外常針對(duì)基板材料、粘貼材料和封裝材料進(jìn)行擇優(yōu)。

　　　(1)基板材料

　　對(duì)于大功率的LED而言，為了解決芯片材料與散熱材料之間因熱膨脹失配造成電極引線斷裂的問題．可選用陶瓷、Cu／Mo板和Cu／W板等合金作為散熱材料，但這些合金的生產(chǎn)成本過高，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。

　　　(2)粘貼材料

　　選用合適的芯片襯底粘貼材料．并在批量生產(chǎn)工藝中保證粘貼厚度盡量小．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)行粘貼。導(dǎo)熱膠雖有較低的硬化溫度(<150~C)，但導(dǎo)熱特性較差；導(dǎo)電型銀漿粘貼的硬化溫度一般低于200~C，既有良好的熱導(dǎo)特性．又有較好的粘貼強(qiáng)度，但因銀漿在提升亮度的同時(shí)會(huì)發(fā)熱，且含鉛等有毒金屬，因此并不是粘貼材料的最佳選擇。與前兩者相比，導(dǎo)電型錫漿的熱導(dǎo)特性是3種材料中最優(yōu)的，導(dǎo)電性能也非常優(yōu)越【l】。

　　　(3)環(huán)氧樹脂

　　環(huán)氧樹脂作為L(zhǎng)ED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。目前許多LED封裝業(yè)者改用硅樹脂和陶瓷代替環(huán)氧樹脂作為封裝材料，以提高LED的壽命。

　　3．3 小 結(jié)

　　總的來說．具有低熱阻、良好散熱能力以及低機(jī)械應(yīng)力的新式封裝結(jié)構(gòu)是封裝體的技術(shù)關(guān)鍵。不同的結(jié)構(gòu)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)的散熱問題。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．其中出現(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)方式有傳導(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)都要采用熱導(dǎo)系數(shù)高的材料。

       4 發(fā)展趨勢(shì)

　　目前．很多功率型LED的驅(qū)動(dòng)電流都能達(dá)到70mA，lOOmA甚至lA級(jí)。隨著工作電流的加大，解決散熱問題己成為大功率LED實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的先決條件。根據(jù)上述LED器件的散熱環(huán)節(jié)．從以下幾方面對(duì)提高大功率LED的散熱性能進(jìn)行了研究。

　　(1)LED產(chǎn)生熱量的多少取決于內(nèi)量子效應(yīng)。在氮化鎵材料的生長(zhǎng)過程中，改進(jìn)材料結(jié)構(gòu)．優(yōu)化生長(zhǎng)參數(shù)，獲得高質(zhì)量的外延片，提高器件內(nèi)量子效率，從根本上減少熱量的產(chǎn)生，加快芯片結(jié)到外延層的熱傳導(dǎo)。

　　(2)選擇以鋁基為主的金屬芯印刷電路板(MC—PCB)、陶瓷、DBC、復(fù)合金屬基板等導(dǎo)熱性能好的材料作襯底，以加快熱量從外延層向散熱基板散發(fā)。通過優(yōu)化MCPCB板的熱設(shè)計(jì)．或?qū)⑻沾芍苯咏壎ㄔ诮饘倩迳闲纬山饘倩蜏責(zé)Y(jié)陶瓷(LTCC—M)基板，以獲得熱導(dǎo)性能好．熱膨脹系數(shù)小的襯底。

　　(3)為了使襯底上的熱量更迅速地?cái)U(kuò)散到周圍環(huán)境．通常選用鋁、銅等導(dǎo)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(qiáng)制制冷。無論從成本還是外觀的角度來看．LED照明都不宜采用外部冷卻裝置。因此根據(jù)能量守恒定律，利用壓電陶瓷作為散熱器，把熱量轉(zhuǎn)化成振動(dòng)方式直接消耗熱能將成為未來研究的重點(diǎn)之一。

　　(4)對(duì)于大功率LED器件而言，其總熱阻是pn結(jié)到外界環(huán)境熱路上幾個(gè)熱沉的熱阻之和，其中包括LED本身的內(nèi)部熱沉熱阻、內(nèi)部熱沉到PCB板之間的導(dǎo)熱膠的熱阻、PCB板與外部熱沉之間的導(dǎo)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(duì)傳熱造成一定的阻礙，因此經(jīng)過長(zhǎng)期研究認(rèn)為。減少內(nèi)部熱沉數(shù)量，并采用薄膜工藝將必不可少的接口電極熱沉、絕緣層直接制作在金屬散熱器上．能夠大幅度降低總熱阻．這種技術(shù)有可能成為今后大功率LED散熱封裝的主流方向。

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