大功率LED封装散热技术研究

　　1　引言

　　随着氮化镓基第三代半导体的兴起,蓝色和白色发光二极管的研究成功,半导体照明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,成为新一代环保型照明光源的主要发展方向之一,也是21世纪最具发展前景的高技术领域之一。各国政府高度重视,纷纷出台国家计划,投入巨资加以发展。

　　20世纪末,LumiledsLighting公司封装出第一个瓦级大功率LED,使LED的功率从几十毫瓦跃超过1000mW,单个LED器件的光通量也从不到一个lm飞跃达到十几个lm。目前,高亮度白光LED在实验室中已经达到100lm/W的水平,50lm/W的大功率白光LED也进入商业化。对于W级(≥1W)高功率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～25mm×25mm,也就是说芯片的功率密度很大,如何提高大功率LED的散热能力,是LED器件封装和器件应用设计要解决的核心问题。

　　2　热效应对大功率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。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能量的10%～15%转化为光能,而无辐射复合产生的晶格振荡将其余85%～90%的能量转化为热能。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。

　　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上升,元件温度每上升2℃,可靠性下降10%[3]。为了保证器件的寿命,一般要求pn结结温在110℃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100℃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℃,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。

　　3　封装结构与材料

　　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帖材料,用硅树脂代替环氧树脂。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。

　　3.1　封装结构

　　目前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。因此前后两方面都造成散热的难题,影响了器件的性能和可靠性。2001年,LumiLeds公司研制出了AIGalnN功率型倒装芯片结构,如图1所示,LED芯片通过凸点倒装连接到硅基上。这样热量不必经由芯片的蓝宝石衬底,而是直接传到热导率更高的硅或陶瓷衬底,再传到金属底座,由于其有源发热区更接近于散热体,可降低内部热沉热阻[3]。这种结构的热阻理论计算最低可达到134K/W,实际做到6～8K/W,出光率也提高了60%左右。但是,热阻与热沉的厚度成正比的,受硅片机械强度与导热性能所限,很难通过减薄硅片来进一步降低内部热沉的热阻,制约了其传热性能的进一步提高。

　　图1　芯片的正装结构和倒装结构对比

　　2)基于金属线路板结构。金属线路板结构利用铝等金属具有极佳的热传导性质,将芯片封装到覆有几毫米厚的铜电极的PCB板上,或者将芯片封装在金属夹芯的PCB板上,然后再封装到散热片上来解决散热问题。美国UOE公司的Norlux系列LED,将已封装的产品组装在带有铝夹层的金属芯PCB板上,其中PCB板作LED器件电极连接布线之用,铝芯夹层作为热沉散热,如图2所示。虽然采用该结构可以获得良好的散热特性,并大大提高LED的输入功率,但夹层中的PCB板是热的不良导体,阻碍了热量的传导。据研究,该结构系统热阻约在60～70K/W之间。

　　图2　金属线路板结构

　　3)微泵浦结构。2006年ShengLiu等人通过在散热器上安装一个微泵浦系统来解决LED的散热问题,在封闭系统中,水在微泵浦的作用下进入LED的底板小槽吸热,然后又回到小的水容器中,通过风扇吸热。这种微泵浦结构(图3)可以将外部热阻降为0192K/W[6]。这种微泵结构的制冷性较好,但如前两种结构一样,如果内部接口热阻很大,则其热传导就会大打折扣,此外,其结构也较复杂。

　　图3　微泵浦结构

　　3.2　封装材料封装结构确定后,可以通过选取不同的材料进一步的降低系统的热阻,提高系统的导热性能。目前国内外常针对基板材料、粘贴材料和封装材料进行择优。

　　1)基板材料。对于大功率的LED而言,为了解决芯片材料与散热材料之间因热膨胀失配造成电极引线断裂的问题,可以选用陶瓷、Cu/Mo板和Cu/W板等合金作为散热材料。但这些合金生产成本过高,不利于大规模、低成本生产。选用导热性能好的铝板、铜板作为散热基板材料是当前研究的重点之一。

　　2)芯片粘结材料。选用合适的芯片衬底粘贴材料并在批量生产工艺中保证粘贴厚度尽量小,对保证器件的热导特性是十分重要的。通常选用导热胶、导电型银浆、锡浆和金锡合金焊料这四种材料进行粘结。导热胶导热特性较差。导电型银浆既有良好的热导特性,又有较好的粘贴强度,但由于银浆在提升亮度的同时会发热,且含铅等有毒金属,因此并不是粘贴材料的最佳选择。导电锡浆和银浆相似,由于含有铅、六价铬等重金属,不符合ROHS标准。与前三者相比,金锡合金焊料的热导特性是四种材料中最优的,导电性能也非常优越,但需要严谨的机械设计才能达到高精度的固晶。

　　3)环氧树脂。环氧树脂作为LED器件的封装材料,具有优良的电绝缘性能、密着性和介电性能,但环氧树脂具有吸湿性、易老化、耐热性差、高温和短波光照下易变色,而且在固化前有一定的毒性,固化的内应力大,对LED器件寿命造成影响。目前许多LED封装业者改用硅树脂和陶瓷代替环氧树脂作为封装材料,以提高LED的寿命。

　　总的说来,低热阻、散热良好及低机械应力的新式封装结构是封装体的技术关键。结点到周围环境的热传导方式有三种:传导、对流、辐射。不同的结构和材料均需要解决如下三个环节的散热问题:芯片结到外延层、外延层到封装基板、封装基板到冷却装置。这三个环节构成固态照明光源热传导的通道,其中任何薄弱环节失败都会使LED光源毁于一旦。也就是说,要想将功率LED的散热性能和可靠性提升到最高,三个环节都需要采用热导系数高的材料。

　　4　结语

　　目前,随着功率型LED的亮度提升,驱动电流的日益增大,解决散热问题已成为大功率LED实现产业化的先决条件。根据上述LED器件的散热环节,本文认为可以对如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GaN材料的生长过程中,改进材料结构,优化生长参数,获得高质量的外延片,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(LTCCM)基板,以获得热导性能好、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Al、Cu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,作者经过长期研究认为,减少内部热沉界面的数量,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,通过降低内部热沉的热阻来大幅度降低总热阻,这种技术有可能成为今后大功率LED散热封装主流方向。

编辑：Cedar