大功率LED散热封装技术研究
苏达 王德苗
(浙江大学信息与电子工程系 杭州 310027)
摘 要
如何提高散热能力是大功率LED实现产业化亟待解决的关键技术之一。本文详细分析了国内外大功率LED散热封装技术的研究现状，总结了其发展趋势并提出减少内部热沉可能是今后的发展方向。
关键词 大功率LED 散热 封装
引言
LED诞生至今，已经实现了全彩化和高亮度化，并在蓝色／紫色LED基础上产生了白光LED，带来了人类照明史上的又一次飞跃。与白炽灯和荧光灯相比，LED以其体积小、全固态、长寿命、环保、省电等一系列优点，已广泛应
用在汽车照明、装饰照明、手机闪光灯、大中尺寸(NB、LCD．'IV等)显示屏光源模块等领域，成为21世纪最具发展前景的高技术产业之一。
发光二极管是一种注入电致发光器件，由Ⅲ ～Ⅳ族化合物制成。在外加电场作用下，电子与空穴的辐射复合而发生的电致作用将一部分能量转化为光能
(量子效应)，而无辐射复合产生的晶格振荡将其余的能量转化为热能。目前，高亮度白光LED在实验室中已经达到100 lⅡl，w 的水平，50 lm／W 的大功率白光LED也已步入产业化，单个LED器件也从起初的几
毫瓦一跃达到了1500W。对于瓦级(≥lW)大功率LED而言，目前的电光转换效率约为15％ ，剩余的85％转化为热能，而芯片尺寸仅为1mm×1mm～2．5mm×2．5mm，也就是说芯片的功率密度很大。与传统的照明器件不同，白光
LED的发光光谱中不包含红外部分，所以其热量不能依靠辐射释放。因此如何提高散热能力是大功率LED实现产业化亟待解决的关键技术之一。
1 热效应对大功率LED的影响
对于单个LED而言，如果热量集中在尺寸很小的芯片内而不能有效散出，则会导致芯片温度升高，引起热应力的非均匀分布、芯片发光效率和荧光粉激射效率下降。研究表明：当温度超过一定值，器件的失效率将呈指数规律攀
升，元件温度每上升2~C，可靠性下降10％[3 3。为了保证器件的寿命，一般要求PN结结温在110cI：以下。随着PN结的温升，白光LED器件的发光波长将发生红移。统计资料表明：在100cI：的温度下，波长可以红移4～9nm，
从而导致YAG荧光粉吸收率下降，总的发光强度会减少，白光色度变差。在室温附近，温度每升高1 cI：，LED的发光强度会相应地减少1％左右。当多个LED密集排列组成白光照明系统时，热量的耗散问题更严重。因此解决散
热问题已成为功率型LED应用的先决条件 。 resheji.com
2 国内外的研究进展
针对高功率LED的封装散热难题，国内外器件的设计者和制造者分别在结构和材料等方面对器件的散热系统进行优化设计。例如，在封装结构上，采用大面积芯片倒装结构、金属线路板结构、导热槽结构、微流阵列结构等；在
材料的选取方面，选择合适的基板材料和粘贴材料，用硅树脂代替环氧树脂。
2．1 封装结构
为了解决高功率LED的封装散热难题，国际上开发了多种结构，主要有以下三种类型：
(1)硅基倒装芯片(FCLED)结构
传统的LED采用正装结构，上面通常涂敷一层环氧树脂，下面采用蓝宝石作为衬底。由于环氧树脂的导热能力很差，蓝宝石又是热的不良导体，热量只能靠芯片下面的引脚散出。因此上下两面都出现散热难的问题，影响了器件
的性能和可靠性。
3 发展趋势
目前，随着功率型LED亮度的提升，驱动电流的日益增大，解决散热问题已成为大功率LED产业化的先决条件。根据上述LED器件的散热环节，笔者认为可以从以下几个方面进行研究来提高大功率LED的散热性能：
(1)LED产生热量的多少取决于内量子效应。在氮化镓材料的生长过程中，应改进材料结构，优化生长参数，以获得高质量的外延片，从而提高器件内量子效率，从根本上减少热量的产生，加快芯片结到外延层的热传导；
(2)选择以铝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性能好的衬底，以加快热量从外延层向散热基板散发。通过优化MCPCB板的热设计、或将陶瓷直接绑定在金属基板上形成金属基低温烧结陶瓷
(LTCC—M)基板，可获得热导性能好、热膨胀系数小的衬底；
(3)为了使衬底上的热量更迅速地扩散到周围环境，目前通常选用铝、铜等导热性能好的金属材料作为散热器，再加装风扇和回路热管等强制制冷。无论从成本还是外观的角度来看，LED照明都不宜采用外部冷却装置。因此根
据能量守恒定律，利用压电陶瓷作为散热器，把热量转化成振动方式直接消耗热能将成为未来研究的重点之一；
(4)对于大功率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和，其中包括LED本身的内部热沉热阻、内部热沉到PCB板之间的导热胶的热阻、PCB板与外部热沉之间的导热胶的热阻、外部热沉的热阻等，传
热回路中的每一个热沉都会对传热造成一定的阻碍。因此，笔者经过研究认为，减少内部热沉数量，并采用薄膜工艺将必不可少的接口电极热沉、绝缘层直接制作在金属散热器上，能够大幅度降低总热阻，这种技术有可能成
为今后大功率LED散热封装的主流方向。
参考文献
李炳乾．IW 级大功率白光LED发光效率研究．光电器件．2005，26(4)：314—316．
王壶浩，余彬海，李舜勉．功率LED芯片键合材料对器件热特性影响的分析与仿真．佛山科学技术学院学报：自然科学版．2005，23(4)：l4 l7．
钱可元，郑代顺，罗毅．GaN基功率型LED芯片散热性能测试与分析．半导体光电．2006，27(3)：236 239．
Yuan‘Change Lin，Nguyen Tran，yan Zhou，el a1．Materials Challenges and Solutions for the Packaging of High Power LEDs．2006 International Mierosystems，Packing，As~mbly Come．nee Taiwan．2006：I一4．
李炳乾．基于金属线路板的新型大功率LED及其光电特性研究．
标签： 点击： 评论: