大功率LED散热技术研究进展[2]

　　4.1封装基板

　　封装基板需要较高的导热率和与芯片较匹配的热膨胀系数以及较好的强度和稳定性。目前常用的基板有金属基板(Al、Cu等)、复合基板、陶瓷基板等。

　　4.1.1金属基印刷电路板

　　金属基印刷电路板MCPCB(Metal Core PCB)利用一层金属底材(铝或者铜)，在基板上附着一层铜箔或者金属线路板，为防止上下导通，在底材与线路层之间添加高分子材料如环氧树脂作为绝缘层，而绝缘层的导热率极低，导致整个MCPCB板的导热率低;当金属层受到冲压等影响时，易导致绝缘层变形，从而影响LED产品的耐热性能。MCPCB板的改进主要在于采用高导热、高耐热材料替代有机绝缘层。Eveliina等基于隔热铝合金系统(IAMS)开发了一种新型基板，其研究结果表明，用陶瓷材料取代高分子绝缘层，较同条件下使用MCPCB板结温降低7℃，热阻减小27%，能承受较高的使用温度(660℃)，并具有和铝较接近的热膨胀系数。Yu Jin Heo等在室温下，使用气溶胶沉积法，成功将AlN陶瓷沉积于铝基板上，获得导热率为88.54W/m.K的新型基板。

　　4.1.2覆铜陶瓷板

　　覆铜陶瓷板DBC(Direct Bonded Copper)是指铜箔等金属(厚度大于0.1mm)覆于Al2O3或AlN陶瓷基片的单面或双面上，经由高温(1066℃~1083℃)加热，使铜金属高温氧化、扩散与基片材质产生共晶熔体，形成陶瓷复合金属基板，最后依据线路设计，以蚀刻方式制备电路，DBC基板如图5所示。覆铜陶瓷板中间的绝缘材料为Al2O3或AlN陶瓷基片，它们的导热率分别为24W/(m.K)和170W/(m.K)，DBC基板有着近似于Al2O3/AlN的热膨胀系数。

　　图5 DBC结构图

　　其主要不足或难点在于金属与陶瓷基片之间反应能力低，共晶烧结时易产生微气孔，采用化学刻蚀方法，其线厚一般不好控制，如果采用激光刻蚀方法，则成本较高，目前德国Curamik已成功实现批量生产DBC基板。

　　4.1.3低温共烧陶瓷基板

　　低温共烧陶瓷LTCC(Low-Temperature Co-fired Ceramic)又称多层低温共烧陶瓷，美国休斯公司1982年首先了开发LTCC技术。该技术将陶瓷/玻璃粉料按比例混合，添加增塑剂、分散剂、粘结剂等有机溶剂，配成膏状浆料，用流延法制成生坯，其工艺流程为：粉料制备-浆料配制-流延-切片-通孔成型-通孔填充-印刷-叠层-层压-排胶-烧结-检测。其烧结温度一般低于900℃，这样低于绝大部分金属的熔点，使得无源器件埋入陶瓷中共烧成为可能。Jae-Kwan Sim等设计了一种新型基板，该基板在LTCC基板中垂直交替阵列Al和Al2O3作为散热通道，使用板上芯片(chip on broad，COB)封装技术，其研究结果表明：采用LTCC-COB封装技术，封装面与大气之间的热阻为7.3K/W。B. Ma等将Ag膏注入在GaN基LED芯片正下方LTCC基板的9个阵列通道孔中，并与LTCC基板共烧，其封装热阻为13K/W，使用该技术的LED平均失效时间(MTTF)大大提高。

　　4.1.4半导体硅片

　　半导体硅片具有导热率高、与LED芯片材料热失配小、加工技术成熟的优点，非常适合作为大功率LED的散热基板。特别是随着系统封装(SiP)和三维封装技术的发展，采用穿孔硅(TSV)基板封装LED可大大提高器件集成度和散热能力，但硅作为一种半导体材料，当温度升高时，电阻率降低，作为基板应用受到了一定的限制。

　　4.1.5金属/陶瓷复合材料基板

　　金属/陶瓷复合材料基板是未来导热基板发展的一个方向，文献采用液相浸渗铸造技术制备了Al/SiC复合基板，将液态铝合金浸渗到整体烧结好的陶瓷预制件中。

　　铝碳化硅复合基板将Al的高导热性(170~210K/m.K)、低密度(2.7K/cm3)、价格低廉的优点与SiC低热膨胀系数((3.8~4.7)×10-6/℃)结合起来，具有高导热性(170~210W/m.K)、热膨胀系数低、弹性模量高等优点，可实现与芯片热匹配。同时可近净成型形状复杂的构件,生产成本较低，在大功率LED、微波集成电路、功率模块和微处器散热板等领域得到广泛应用。

　　MCPCB技术成熟，被大量的生产，目前市面上见到的绝大分LED都是采用的MCPCB板，美国贝格斯是世界生产MCPCB板的巨头;德国Curamik已实现工业生产DBC板;LTCC技术已经成为微电子领域的发展重点和投资热点，全球专业制造厂商超过200多家，如美国CTS、日本Murata、韩国Samsung等，近年来，国内有部分科研院所对LTCC进行了大量的研究，但是还没有一家单位形成批量生产能力。金属/陶瓷复合材料基板是未来导热发展的一个方向。

　　4.2 散热器与散热结构

　　传统的大功率LED散热技术主要集中在提高芯片底层散热，热量主要依靠单向向下释放，意大利米兰理工大学Roberto Faranda等提出双向散热技术，该技术将传统LED芯片侵入聚二甲基硅氧烷(PDMS)中，Faranda等设计2组实验，A组将芯片侵入制冷液体中，并使用传统陶瓷板及散热翅片;B组完全将LED芯片侵入制冷液体中，B组实验封装结构如图6所示。侵入越深，其散热效果越好，A组中芯片最低结温可低至50℃，B组对比结果表明，侵入制冷液体中的LED芯片较完全不侵入任何制冷液体结温降低13℃。

　　图6 B组实验结构图

　　文献报道了一种合成射流散热技术(synthetic jets)，该技术利用一定的频率振动压缩腔内的空气，使空气从细小的喷嘴高速喷出，喷于散热片上，形成空气流，从而带走热量。具有低能耗、长寿命等优点。美国马里兰大学Bong-Min Song等将合成射流技术应用于LED筒灯中，其研究结果表明：使用合成射流技术的筒灯在寿命周期内(50000h)温升几乎可忽略。

　　韩国仁荷大学Jin-Sung Park等将塞贝克元件(seebeck element)、珀耳帖元件(peltier element)粘接于Al2O3陶瓷基板与Al质散热片之间。其研究结果表明，增加塞贝克元件的实验组，散热效率较使用普通散热片高9%，较使用珀耳帖元件的实验组低4%，使用塞贝克元件实验组能耗较珀耳帖元件实验组低9%，且能产生一定的电量。

　　台湾国立云林科技大学Ing Youn Chen等基于电子液动力(EHD)技术将离子风(Ionic wind)散热用于LED散热，该技术的原理是设置一对高压电极，电极电压差高达四千伏，使电极之间的空气离子化，产生离子风，带走芯片表面的热量。该技术能较好的降低LED热阻、并可实现完全静音，其缺点是为了能产生离子风需要高电压(>4000V)，且该技术不耐尘，寿命无法保证。

　　Z.M. Wan等提出了一种多孔介质微热沉LED冷却技术，该结构密封管道内部流动的液体，通过多孔微结构，带走大量的热量。使用该型技术，当LED表面热流密度为500W/cm2时，散热器最高温度为58.4℃;当内部液体流速为0.5m/s时，其传热系数高达61.1kW/(m2/℃)，因此具有很好的散热性能。

　　Lu等将回路热管(Loop heat pipe)用于大功率LED散热，该回路热管包括一个蒸发器，一个冷凝器，一个补偿腔和多个管道，回路热管是一个铜/水的单元。在稳态条件下，当蒸发器中的水吸收足够的热时就会蒸发成水蒸汽，然后通过蒸汽管道流入冷凝器，蒸汽冷凝时会把热量释放到周围环境中，最后冷凝的水回流到蒸发器，如此形成一个热循环。

　　罗小兵等提出了一种基于微喷射流冷却的封闭系统，整个系统采用封闭形式，由一个微泵驱动系统循环，气体、液体等均可以作为工作介质，该系统依靠冲击射流良好的换热效果，将热量从LED带入冷却系统从而实现散热，其研究结果表明该型结构的散热效果很好，其主要缺点是体积大，会带来噪音等。

　　美国通用电气(GE)最近公布了一种双压电冷却喷射技术(DPJ：dual piezoelectric cooling jet)用于电子元件的散热中，该技术利用共振模腔，向电子设备喷射高速气流，其提供的湍动气流比常规对流提高了十五倍的热交换速率。该技术具有体积小，功耗少，可靠性高等特点，可做为未来大功率LED散热的重要选择。

　　5 结束语

　　最近Cree公司通过采用新封装技术与基板材料成功制备了光效高达254lm/W的功率型白光LED;而欧司朗成功制作了硅基氮化镓，非常适合大功率LED的产业化需求。随着大功率LED朝高光通量、高功率方向发展，大功率LED的热流密度不断增大，而散热不良时，会导致诸如光效降低、可靠性下降、寿命减小等危害，严重影响大功率LED的使用性能。研制具有良好散热性能的导热基板及散热良好、低功耗、小体积的外部散热器或散热结构是未来解决大功率LED散热的主要趋势。基于各种基板综合散热性能的比较，金属基复合陶瓷基板具有很强的市场竞争力，未来的应用前景十分广阔。外部散热技术对大功率LED的散热效果也很关键，尤其是双压电冷却喷射技术将会对未来大功率LED外部散热产生重要影响。

编辑：Cedar