大功率LED封装散热技术研究

By | 2020年7月24日

  1 引言


  跟着氮化镓基第三代半导体的衰亡,蓝色以及红色发光二极管的钻研胜利,半导体照明带来了人类照明史上的又一次飞跃。与白炽灯以及荧光灯相比,LED以其体积小、全固态、短命命、环保、省电等一系列优点,成为新一代环保型照明光源的次要倒退标的目的之一,也是21世纪最具倒退前景的高技巧畛域之一。列国当局高度注重,纷繁出台国度方案,投入巨资加以倒退。


  20世纪末,LumiledsLighting公司封装出第一个瓦级年夜功率LED,使LED的功率从几十毫瓦跃超越1000mW,单个LED器件的光通量也从没有到一个lm飞跃达到十几个lm。今朝,高亮度白光LED正在试验室中曾经达到100lm/W的程度,50lm/W的年夜功率白光LED也进入贸易化。关于W级(≥1W)高功率LED而言,今朝的电光转换效率约为15%,残余的85%转化为热能,而芯片尺寸仅为1妹妹×1妹妹~25妹妹×25妹妹,也就是说芯片的功率密度很年夜,若何进步年夜功率LED的散热才能,是LED器件封装以及器件使用设计要处理的外围成绩。


  2 热效应答年夜功率LED的影响


  发光二极管是一种注入电致发光器件,由ⅢⅤ族化合物制成。正在外加电场作用下,电子与空穴的辐射复合而发作的电致作用将能量的10%~15%转化为光能,而无辐射复合孕育发生的晶格振荡将其他85%~90%的能量转化为热能。与传统的照冥具件没有同,白光LED的发光光谱中没有蕴含红内部分,以是其热量不克不及依托辐射开释。


  关于单个LED而言,假如热量集中正在尺寸很小的芯片内而不克不及无效散出,则会招致芯片温度降低,惹起热应力的非平均散布、芯片发光效率以及荧光粉激射效率降落。钻研标明,当温度超越肯定值,器件的生效率将呈指数法则回升,元件温度每一回升2℃,牢靠性降落10%[3]。为了保障器件的寿命,普通要求pn结结温正在110℃如下。跟着pn结的温升,白光LED器件的发光波长将发作红移。统计材料标明,正在100℃的温度下,波长能够红移4~9nm,从而招致YAG荧光粉排汇率降落,总的发光强度会缩小,白光色度变差。正在室温左近,温度每一降低1℃,LED的发光强度会相应地缩小1%阁下。当多个LED密集陈列组成白光照明零碎时,热量的耗散成绩更重大。因而处理散热成绩已成为功率型LED使用的先决前提。


  3 封装构造与资料


  针对高功率LED的封装散热难题,国际外器件的设计者以及制作者辨别正在构造以及资料等方面临器件的热零碎进行优化设计。例如,正在封装构造上,采纳年夜面积芯片倒装构造、金属线路板构造、导热槽构造、微流阵列构造等;正在资料的拔取方面,抉择合适的基板资料以及粘帖资料,用硅树脂替代环氧树脂。为理解决高功率LED的封装散热难题,国内上开发了多种构造。


  3.1 封装构造


  今朝次要有如下三品种型:


  1)硅基倒装芯片(FCLED)构造。传统的LED采纳正装构造,下面通常涂敷一层环氧树脂,上面采纳蓝宝石作为衬底。因为环氧树脂的导热才能很差,蓝宝石又是热的没有良导体,热量只能靠芯片上面的引脚散出。因而先后两方面都造成散热的难题,影响了器件的功能以及牢靠性。2001年,LumiLeds公司研制出了AIGalnN功率型倒装芯片构造,如图1所示,LED芯片经过凸点倒装衔接到硅基上。这样热量不用经由芯片的蓝宝石衬底,而是间接传到热导率更高的硅或陶瓷衬底,再传到金属底座,因为其有源发烧区更靠近于散热体,可升高外部热沉热阻[3]。这类构造的热阻实践较量争论最低可达到134K/W,实际做到6~8K/W,出光率也进步了60%阁下。然而,热阻与热沉的厚度成反比的,受硅片机器强度与导热功能所限,很难经过减薄硅片来进一步升高外部热沉的热阻,制约了其传热功能的进一步进步。



  图1 芯片的正装构造以及倒装构造比照


  2)基于金属线路板构造。金属线路板构造行使铝等金属具备极佳的热传导性子,将芯片封装到覆有几毫米厚的铜电极的PCB板上,或许将芯片封装正在金属夹芯的PCB板上,而后再封装到散热片下去处理散热成绩。美国UOE公司的Norlux系列LED,将已封装的产物组装正在带有铝夹层的金属芯PCB板上,此中PCB板作LED器件电极衔接布线之用,铝芯夹层作为热沉散热,如图2所示。尽管采纳该构造能够取得精良的散热特点,并年夜年夜进步LED的输出功率,但夹层中的PCB板是热的没有良导体,障碍了热量的传导。据钻研,该构造零碎热阻约正在60~70K/W之间。



  图2 金属线路板构造


  3)微泵浦构造。2006年ShengLiu等人经过正在散热器上装置一个微泵浦零碎来处理LED的散热成绩,正在关闭零碎中,水正在微泵浦的作用下进入LED的底板小槽吸热,而后又回到小的水容器中,经过电扇吸热。这类微泵浦构造(图3)能够将内部热阻降为0192K/W[6]。这类微泵构造的制冷性较好,但如前两种构造同样,假如外部接口热阻很年夜,则其热传导就会年夜打扣头,别的,其构造也较复杂。



  图3 微泵浦构造


  3.2 封装资料封装构造确定后,能够经过拔取没有同的资料进一步的升高零碎的热阻,进步零碎的导热功能。今朝国际外常针对基板资料、粘贴资料以及封装资料进行择优。


  1)基板资料。关于年夜功率的LED而言,为理解决芯片资料与散热资料之间因热收缩失配造成电极引线断裂的成绩,能够选用陶瓷、Cu/Mo板以及Cu/W板等合金作为散热资料。但这些合金消费老本太高,无益于年夜规模、低老本消费。选用导热功能好的铝板、铜板作为散热基板资料是以后钻研的重点之一。


  2)芯片粘结资料。选用合适的芯片衬底粘贴资料并正在批量消费工艺中保障粘贴厚度只管即便小,对保障器件的热导特点是非常首要的。通常选用导热胶、导电型银浆、锡浆以及金锡合金焊料这四种资料进行粘结。导热胶导热特点较差。导电型银浆既有精良的热导特点,又有较好的粘贴强度,但因为银浆正在晋升亮度的同时会发烧,且含铅等有毒金属,因而并非粘贴资料的最好抉择。导电锡浆以及银浆类似,因为含有铅、六价铬等重金属,没有合乎ROHS规范。与前三者相比,金锡合金焊料的热导特点是四种资料中最优的,导电功能也十分优胜,但需求谨严的机器设计能力达到高精度的固晶。


  3)环氧树脂。环氧树脂作为LED器件的封装资料,具备优异的电绝缘功能、密着性以及介电功能,但环氧树脂具备吸湿性、易老化、耐热性差、低温以及短波光照下易变色,并且正在固化前有肯定的毒性,固化的内应力年夜,对LED器件寿命造成影响。今朝许多LED封装业者改用硅树脂以及陶瓷替代环氧树脂作为封装资料,以进步LED的寿命。


  总的说来,低热阻、散热精良及低机器应力的旧式封装构造是封装体的技巧要害。结点到四周环境的热传导形式有三种:传导、对流、辐射。没有同的构造以及资料均需求处理以下三个环节的散热成绩:芯片结到内涵层、内涵层到封装基板、封装基板到冷却安装。这三个环节形成固态照明光源热传导的通道,此中任何单薄环节失败城市使LED光源毁于一旦。也就是说,要想将功率LED的散热功能以及牢靠性晋升到最高,三个环节都需求采纳热导系数高的资料。


  4 结语


  今朝,跟着功率型LED的亮度晋升,驱动电流的日趋增年夜,处理散热成绩已成为年夜功率LED完成工业化的先决前提。依据上述LED器件的散热环节,本文以为能够对以下几个方面进行钻研来进步年夜功率LED的散热功能。


  (1)LED孕育发生热量的几何取决于内量子效应。正在GaN资料的成长进程中,改良资料构造,优化成长参数,取得高品质的内涵片,进步器件内量子效率,从基本上缩小热量的孕育发生,放慢芯片结到内涵层的热传导。


  (2)抉择如以Al基为主的金属芯印刷电路板(MCPCB)、陶瓷、DBC、复合金属基板等导热功能好的衬底,以放慢热量从内涵层向散热基板分发。经过优化MCPCB板的热设计或将陶瓷间接绑定正在金属基板上构成金属基高温烧结陶瓷(LTCCM)基板,以取得热导功能好、热收缩系数小的衬底。


  (3)为了使衬底上的热量更迅速地分散到四周环境,今朝通常选用Al、Cu等导热功能好的金属资料作为散热器,再加装电扇以及回路热管等强迫制冷。无论从老本仍是外观的角度来看,LED照明都没有宜采纳内部冷却安装。因而依据能量守恒定律,行使压电陶瓷作为散热器,把热量转化成振动形式间接耗费热能将成为将来钻研的重点之一。


  (4)关于年夜功率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以及,此中包罗LED自身的外部热沉热阻、外部热沉到PCB板之间的导热胶热阻、PCB板与内部热沉之间的导热胶的热阻、内部热沉的热阻等,传热回路中的每个热沉城市对传热造成肯定的障碍。因而,作者通过长时间钻研以为,缩小外部热沉界面的数目,并采纳薄膜工艺将必不成少的接口电极热沉、绝缘层间接制造正在金属散热器上,经过升高外部热沉的热阻来年夜幅度升高总热阻,这类技巧有可能成为从此年夜功率LED散热封装支流标的目的。


 


编纂:Cedar