详解国内外大功率LED散热封装技术的研究近况及发展趋势

   发光二极管(LED)诞生至今，已经实现了全彩化和高亮度化，并在蓝光LED和紫光LED的基础上开发了白光LED。它为人的总称照明史又带来了一次奔腾。与自炽灯和荧光灯相比，LED以其体积小，全固态，长命命，环保，省电等一系列优点，已广泛用于汽车照明、扮饰照明、电话闪光灯、大中尺寸，即NB和LCD。TV等显示屏光源模块中。

   已经成为2l百年最具发展前景的高技术范畴之一LED是一种注入电致发光器件。由Ⅲ～Ⅳ 族化合物，如磷化镓(GaP)、磷砷化镓(GaAsP)等半导体制成 在~I-DN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。 即量子效应，而无辐射复合孕育发生的晶格振动将其余的能量转化为热能。今朝，高亮度白光LED在实验室中已经达到1001m/W 的水平，501m/w 的大功率白光LED也已步入商业化，单个LED器件也从起初的几毫瓦一跃达到了1、5 kW。对大于1W 级的大功率LED而言，今朝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。意即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。以是其热能不能依靠辐射释放。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难题之一。

   2  热效应对大功率LED的影响

    对于单个LED而言。如果热能集中在尺寸很小的芯片内而不能有效散出。则会导致芯片的温度升高。引起热应力的非匀称分布、芯片发光效率和荧光粉激射效率下降。研究表明，当温度超过一定值时。器件的失效率将呈指数规律爬升。元件温度每上升2℃，可靠性将下降l0%l。为了保证器件的寿命，一般要求pn结的结温在110℃以下。跟着pn结的温升。白光LED器件的发光波长将发生红移据计数资料表明。在100℃的温度下。波长可以红移4～9 nm。从而导致YAG荧光粉吸收率下降，总的发光强度会削减，白光色度变差。在室温相近，温度每升高l℃。LED的发光强度会相应削减l%左右。当器件从环境温度上升到l20℃时。亮度下降多达35%。当多个LED密集摆列构成白光照明系统时。热能的耗散需要别人解答的题目更严重。因此解决散热需要别人解答的题目已成为功率型LED应用的先决条件。

    3   国内外的研究进展

    针对高功率LED的封装散热难题。国内外的器件预设者和制造者分别在布局、材料和工艺等方面对器件的热系统进行了优化预设。例如。在封装布局上，接纳大面积芯片倒装布局、金属线路板布局、导热槽布局、微流阵列布局等;在材料的选取方面，选择合适的基板材料和粘附材料，用硅树脂代替环氧树脂。

    3、1 封装布局

          为相识决高功率LED的封装散热难题，国际上开发了多种布局，主要有:

         (1)  硅基倒装芯片(FCLED)布局

    传统的LED接纳正装布局，上面通常涂敷一层环氧树脂。下面接纳蓝宝石作为衬底。由于环氧树脂的导热能力很差。蓝宝石又是热的不良导体，热能只能靠芯片下面的引脚散出，因此前后两方面都造成散热困难。影响了器件的性能和可靠性。

    2001年。LumiLeds公司研制出了A1GaInN功率型倒装芯片布局。图1示出芯片的正装布局和倒装布局对比 LED芯片通过凸点倒装连接到硅基上。这样。大功率LED孕育发生的热能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瓷陶衬底，再传到金属底座，由于其有源发热区更接近于散热体。因此可减低内部热沉热阻[21。这类布局的热阻意见计算最低可达到1。34K/W。实际已作到6~8K/W，出光率也提高了60%左右。可是，热阻与热沉的厚度是成正比的。因此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减低内部热沉的热阻，这就制约了其传热性能的进一步提高。

     ⑵ 金属线路板布局

    金属线路板布局利用铝等金属具有极佳的热传导性子。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，以解决LED因功率增大所带来的散热需要别人解答的题目。接纳该布局能获患上良好的散热特性，并大大提高了LED的输入功率。

    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。此中PCB板用作对LED器件进行电极连接布线。铝芯夹层作为热沉散热。图2示出金属线路板布局。其缺陷在于，夹层中的PCB板是热的不良导体。它会阻碍热能的传导。据研究，将OSRAM公司的Golden Dragon系列白光LED芯片LW W5SG倒装在一块3ram~3mm。且水平放置的金属线路板上，在LED器件与金属线路板之间涂敷1898In—Sil一8热接口材料，其系统热阻约为66。12K/Wt”。

    (3)  微泵浦布局

    2006年Sheng Liu等人通过在散热器上安装一个微泵浦系统，解决了LED的散热需要别人解答的题目，并发明其散热性能优于散热管和散热片。在关闭系统中，水在微泵浦的作用下步入了LED的底板小槽吸热，然后又回到小的水容器中，再通过风扇吸热。图3示出这类微泵浦布局。它能将外部热阻降为O。192K/W。并能进行封装[41。这类微泵布局的制冷性较好。但如前两种布局一样，若内部接口的热阻很大，则其热传导就会大打折扣。而且布局也嫌复杂。

        3、2 封装材料

    确定封装布局后。可通过选取不同的材料进一步减低系统热阻，提高系统导热性能。今朝，国内外常针对基板材料、粘附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，为相识决芯片材料与散热材料之间因加热膨胀失配造成电极引线断开的需要别人解答的题目。可选用瓷陶、Cu/Mo板和Cu/W板等合金作为散热材料，但这些个合金的生产成本过高，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的研究重点之一圈。

        ⑵粘附材料

    选用合适的芯片衬底粘附材料。并在批量生产工艺中保证粘附厚度尽量小。这对保证器件的热导特性是十分重要的。通常选用导热胶、导电型银浆和锡浆这3种材料进行粘附。导热胶虽有较低的硬化温度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，故对LED器件的寿命造成影响。今朝许多LED封装业者改用硅树脂和瓷陶代替环氧树脂作为封装材料，以提高LED的寿命。

     3、3 小 结

    总的来说。具有低热阻、良好散热能力和低机械应力的新式封装布局是封装体的技术关键。不同的布局和材料都需要解决芯片结到外延层、外延层到封装基板、封装基板到冷却装置这3个环节的散热需要别人解答的题目。由这3个环节构成的固态照明光源热传导通道。此中浮现任何一个薄弱环节都会使LED光源毁于一旦。结点到周围环境的热传导体式格局有传导、对流、辐射3种。意即，要想将功率LED的散热性能和可靠性提升到最高。这三个环节都要接纳热导系数高的材料。

        4 发展趋势

    今朝。很多功率型LED的驱动电流都能达到70mA，lOOmA甚至lA级。跟着工作电流的加大，解决散热需要别人解答的题目己成为大功率LED实现产业化的先决条件。按照上述LED器件的散热环节。从以下几方面对提高大功率LED的散热性能进行了研究。

    (1)LED孕育发生热能的多少取决于内量子效应。在氮化镓材料的生长过程当中，改进材料布局。优化生长参数，获患上高质量的外延片，提高器件内量子效率，从底子上削减热能的孕育发生，加快芯片结到外延层的热传导。

    ⑵选择以铝基为主的金属芯印刷电路板(MC—PCB)、瓷陶、DBC、复合金属基板等导热性能好的材料作衬底，以加快热能从外延层向散热基板散发。通过优化MCPCB板的热预设。或将瓷陶直接绑定在金属基板上形成金属基低温烧结瓷陶(LTCC—M)基板，以获患上热导性能好。加热膨胀系数小的衬底。

    (3)为了使衬底上的热能更迅速地廓张到周围环境。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照明都不宜接纳外部冷却装置。因此按照能量守恒定律，利用压电瓷陶作为散热器，把热能转化成振动体式格局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，此中包孕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，因此经太长期研究认为。削减内部热沉数量，并接纳薄膜工艺将必不可少的接口电炽热沉、绝缘层直接建造在金属散热器上。可以或许大幅度减低总热阻。这类技术有可能成为此后大功率LED散热封装的主流方向。