詳解國(guó)內(nèi)外大功率LED散熱封裝技術(shù)的研究近況及發(fā)展趨勢(shì)

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(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(zhǎng)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(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、5 kW。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，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(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(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4～9 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)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(xiàn)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，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，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(lèi)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?，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(guò)減薄硅片來(lái)進(jìn)一步減低內(nèi)部熱沉的熱阻，這就制約了其傳熱性能的進(jìn)一步提高。

⑵ 金屬線(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(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，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(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(dǎo)體。它會(huì)阻礙熱能的傳導(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(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(tǒng)熱阻約為66。12K/Wt”。

(3) 微泵浦布局

2006年Sheng Liu等人通過(guò)在散熱器上安裝一個(gè)微泵浦系統(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(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，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(xiàn)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。

⑵粘附材料

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?chē)h(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)

今朝。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)。跟著工作電流的加大，解決散熱需要?jiǎng)e人解答的題目己成為大功率LED實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的先決條件。按照上述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孕育發(fā)生熱能的多少取決于內(nèi)量子效應(yīng)。在氮化鎵材料的生長(zhǎng)過(guò)程當(dāng)中，改進(jìn)材料布局。優(yōu)化生長(zhǎng)參數(shù)，獲患上高質(zhì)量的外延片，提高器件內(nèi)量子效率，從底子上削減熱能的孕育發(fā)生，加快芯片結(jié)到外延層的熱傳導(dǎo)。

⑵選擇以鋁基為主的金屬芯印刷電路板(MC—PCB)、瓷陶、DBC、復(fù)合金屬基板等導(dǎo)熱性能好的材料作襯底，以加快熱能從外延層向散熱基板散發(fā)。通過(guò)優(yōu)化MCPCB板的熱預(yù)設(shè)?；?qū)⒋商罩苯咏壎ㄔ诮饘倩迳闲纬山饘倩蜏責(zé)Y(jié)瓷陶(LTCC—M)基板，以獲患上熱導(dǎo)性能好。加熱膨脹系數(shù)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(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(wú)論從成本還是外觀的角度來(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(zhuǎn)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(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，此中包孕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)太長(zhǎng)期研究認(rèn)為。削減內(nèi)部熱沉數(shù)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。