大功率LED封裝散熱技術

March 15, 2019

1 引 言

　　發光二極管(LED)誕生至今．已經實現了全彩化和高亮度化，并在藍光LED和紫光LED的基礎上開發了白光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，長壽命，環保，省電等一系列優點，已廣泛用于汽車照明、裝飾照明、手機閃光燈、大中尺寸，即NB和LCD．TV等顯示屏光源模塊中。已經成為2l世紀最具發展前景的高技術領域之一LED是一種注入電致發光器件．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電場作用下．電子與空穴的輻射復合而發生的電致作用將一部分能量轉化為光能． 即量子效應，而無輻射復合產生的晶格振蕩將其余的能量轉化為熱能。目前，高亮度白光LED在實驗室中已經達到1001m／W 的水平，501m／w 的大功率白光LED也已進入商業化，單個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，目前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實現產業化亟待解決的關鍵技術難題之一l】1。

2 熱效應對大功率LED的影響

　　對于單個LED而言．如果熱量集中在尺寸很小的芯片內而不能有效散出．則會導致芯片的溫度升高．引起熱應力的非均勻分布、芯片發光效率和熒光粉激射效率下降。研究表明，當溫度超過一定值時．器件的失效率將呈指數規律攀升．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結的結溫在110℃以下。隨著pn結的溫升．白光LED器件的發光波長將發生紅移據統計資料表明．在100℃的溫度下．波長可以紅移4～9 nm．從而導致YAG熒光粉吸收率下降，總的發光強度會減少，白光色度變差。在室溫附近，溫度每升高l℃．LED的發光強度會相應減少l％左右．當器件從環境溫度上升到l20℃時．亮度下降多達35％。當多個LED密集排列組成白光照明系統時．熱量的耗散問題更嚴重。因此解決散熱問題已成為功率型LED應用的先決條件。

3 國內外的研究進展

　　針對高功率LED的封裝散熱難題．國內外的器件設計者和制造者分別在結構、材料以及工藝等方面對器件的熱系統進行了優化設計。例如。在封裝結構上，采用大面積芯片倒裝結構、金屬線路板結構、導熱槽結構、微流陣列結構等；在材料的選取方面，選擇合適的基板材料和粘貼材料，用硅樹脂代替環氧樹脂。

　　3．1 封裝結構

　　為了解決高功率LED的封裝散熱難題，國際上開發了多種結構，主要有：

　　　(1)硅基倒裝芯片(FCLED)結構

　　傳統的LED采用正裝結構，上面通常涂敷一層環氧樹脂．下面采用藍寶石作為襯底。由于環氧樹脂的導熱能力很差。藍寶石又是熱的不良導體，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功率型倒裝芯片結構。圖1示出芯片的正裝結構和倒裝結構對比 LED芯片通過凸點倒裝連接到硅基上。這樣．大功率LED產生的熱量不必經由芯片的藍寶石襯底．而是直接傳到熱導率更高的硅或陶瓷襯底，再傳到金屬底座，由于其有源發熱區更接近于散熱體．因此可降低內部熱沉熱阻[21。這種結構的熱阻理論計算最低可達到1．34K／W．實際已作到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．因此受硅片機械強度與導熱性能所限。很難通過減薄硅片來進一步降低內部熱沉的熱阻，這就制約了其傳熱性能的進一步提高。

　　　(2)金屬線路板結構

　　金屬線路板結構利用鋁等金屬具有極佳的熱傳導性質．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。采用該結構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．將已封裝的產品組裝在帶有鋁夾層的金屬芯PCB板上．其中PCB板用作對LED器件進行電極連接布線．鋁芯夾層作為熱沉散熱。圖2示出金屬線路板結構。其缺陷在于，夾層中的PCB板是熱的不良導體．它會阻礙熱量的傳導。據研究，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，其系統熱阻約為66．12K／Wt”。

　　　(3)微泵浦結構

　　2006年Sheng Liu等人通過在散熱器上安裝一個微泵浦系統，解決了LED的散熱問題，并發現其散熱性能優于散熱管和散熱片。在封閉系統中，水在微泵浦的作用下進入了LED的底板小槽吸熱，然后又回到小的水容器中，再通過風扇吸熱。圖3示出這種微泵浦結構。它能將外部熱阻降為O．192K／W．并能進行封裝[41。這種微泵結構的制冷性較好．但如前兩種結構一樣，若內部接口的熱阻很大，則其熱傳導就會大打折扣．而且結構也嫌復雜。

　　3．2 封裝材料

　　確定封裝結構后．可通過選取不同的材料進一步降低系統熱阻，提高系統導熱性能。目前，國內外常針對基板材料、粘貼材料和封裝材料進行擇優。

　　　(1)基板材料

　　對于大功率的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，但這些合金的生產成本過高，不利于大規模、低成本生產。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．并在批量生產工藝中保證粘貼厚度盡量小．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種材料進行粘貼。導熱膠雖有較低的硬化溫度(<150~C)，但導熱特性較差；導電型銀漿粘貼的硬化溫度一般低于200~C，既有良好的熱導特性．又有較好的粘貼強度，但因銀漿在提升亮度的同時會發熱，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，導電型錫漿的熱導特性是3種材料中最優的，導電性能也非常優越【l】。

　　　(3)環氧樹脂

　　環氧樹脂作為LED器件的封裝材料。具有優良的電絕緣性能、密著性和介電性能，但環氧樹脂具有吸濕性，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LED器件的壽命造成影響。目前許多LED封裝業者改用硅樹脂和陶瓷代替環氧樹脂作為封裝材料，以提高LED的壽命。

　　3．3 小 結

　　總的來說．具有低熱阻、良好散熱能力以及低機械應力的新式封裝結構是封裝體的技術關鍵。不同的結構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個環節的散熱問題。由這3個環節構成的固態照明光源熱傳導通道．其中出現任何一個薄弱環節都會使LED光源毀于一旦。結點到周圍環境的熱傳導方式有傳導、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．這三個環節都要采用熱導系數高的材料。

       4 發展趨勢

　　目前．很多功率型LED的驅動電流都能達到70mA，lOOmA甚至lA級。隨著工作電流的加大，解決散熱問題己成為大功率LED實現產業化的先決條件。根據上述LED器件的散熱環節．從以下幾方面對提高大功率LED的散熱性能進行了研究。

　　(1)LED產生熱量的多少取決于內量子效應。在氮化鎵材料的生長過程中，改進材料結構．優化生長參數，獲得高質量的外延片，提高器件內量子效率，從根本上減少熱量的產生，加快芯片結到外延層的熱傳導。

　　(2)選擇以鋁基為主的金屬芯印刷電路板(MC—PCB)、陶瓷、DBC、復合金屬基板等導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。通過優化MCPCB板的熱設計．或將陶瓷直接綁定在金屬基板上形成金屬基低溫燒結陶瓷(LTCC—M)基板，以獲得熱導性能好．熱膨脹系數小的襯底。

　　(3)為了使襯底上的熱量更迅速地擴散到周圍環境．通常選用鋁、銅等導熱性能好的金屬材料作為散熱器。再加裝風扇和回路熱管等強制制冷。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。因此根據能量守恒定律，利用壓電陶瓷作為散熱器，把熱量轉化成振動方式直接消耗熱能將成為未來研究的重點之一。

　　(4)對于大功率LED器件而言，其總熱阻是pn結到外界環境熱路上幾個熱沉的熱阻之和，其中包括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熱沉都會對傳熱造成一定的阻礙，因此經過長期研究認為。減少內部熱沉數量，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．這種技術有可能成為今后大功率LED散熱封裝的主流方向。

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