解決大功率LED散熱問題的3 種封裝結(jié)構(gòu)及4種封裝材料詳解

LED的發(fā)光原理是直接將電能轉(zhuǎn)換為光能，其電光轉(zhuǎn)換效率大約為20%—30%，光熱轉(zhuǎn)換效率大約為70%—80%。隨著芯片尺寸的減小以及功率的大幅度提高，導(dǎo)致LED結(jié)溫居高不下，引起了光強(qiáng)降低、光譜偏移、色溫升高、熱應(yīng)力增高、元器件加速老化等一系列問題，大大降低了LED的使用壽命。結(jié)溫也是衡量LED封裝散熱性能的一個重要技術(shù)指標(biāo)，當(dāng)結(jié)溫上升超過最大允許溫度時(一般為150℃)，大功率LED會因過熱而損壞。因此在大功率LED封裝設(shè)備中，散熱是限制其發(fā)展的瓶頸，也是必須解決的關(guān)鍵問題。

大功率LED封裝散熱分析

下圖為LED封裝結(jié)構(gòu)圖，由圖分析出該封裝散熱途徑如下：(1)LED芯片—封裝透鏡—外部環(huán)境(2)LED芯片—鍵合層—內(nèi)部熱沉—散熱基板—外部環(huán)境(3)LED芯片—金線—電極—外部環(huán)境。由于封裝體內(nèi)部各材料的導(dǎo)熱系數(shù)不同，因而大部分熱量都是通過第二條散熱途徑傳至外部環(huán)境。

LED封裝器件的總熱阻由各環(huán)節(jié)的熱阻串聯(lián)而成可表示為：

Rtotal=Rchip+Rchip-TIM+RTIM+RTIM-Cu+RCu+RCu-MCPCB+RMCPCB+RMCPCB-air

其中，Rchip為芯片熱阻，Rchip-TIM為芯片與鍵合層之間的界面熱阻，RTIM為鍵合層的熱阻，RTIM-Cu為熱界面材料與內(nèi)部熱沉之間的界面熱阻，RCu為內(nèi)部熱沉的熱阻，RCu-MCPCB為內(nèi)部熱沉與金屬線踏板，RMCPCB為金屬線踏板的熱阻，RMCPCB-air為金屬線踏板到空氣的熱阻。

通過上式分析可知LED封裝器件的總熱阻由多個熱阻串聯(lián)而成，大量研究表明Rchip-TIM+RTIM+RTIM-Cu占總熱阻的絕大部分，是影響總熱阻的關(guān)鍵因素，因而封裝材料(尤其是熱界面材料)的選擇對總熱阻的影響至關(guān)重要。此外，封裝結(jié)構(gòu)對大功率LED封裝散熱也有一定的影響。

影響大功率LED封裝散熱的主要因素

散熱問題是大功率LED封裝急需重點(diǎn)解決的難題，散熱效果的優(yōu)劣直接關(guān)系到LED路燈的壽命和出光效率。有效地解決大功率LED封裝的散熱問題，對提高大功率LED封裝的可靠性和壽命具有重要作用。為了解決大功率LED封裝中的散熱問題最直接的方法莫過于選擇合適的封裝結(jié)構(gòu)和封裝材料來降低LED封裝的內(nèi)部熱阻，確保熱量由內(nèi)向外快速散發(fā)。

封裝結(jié)構(gòu)

為了解決大功率LED封裝中的散熱問題，國內(nèi)外的業(yè)界人士開發(fā)了多種封裝結(jié)構(gòu)。

倒裝芯片結(jié)構(gòu)

對于傳統(tǒng)的正裝芯片，電極位于芯片的出光面，因而會遮擋部分出光，降低芯片的出光效率。同時，這種結(jié)構(gòu)的PN結(jié)產(chǎn)生的熱量通過藍(lán)寶石襯底導(dǎo)出去，藍(lán)寶石的導(dǎo)熱系數(shù)較低且傳熱路徑長，因而這種結(jié)構(gòu)的芯片熱阻大，熱量不易散發(fā)出去。從光學(xué)角度和熱學(xué)角度來考慮，這種結(jié)構(gòu)存在一些不足。為了克服正裝芯片的不足，2001年Lumileds Lighting公司研制了倒裝結(jié)構(gòu)芯片。該種結(jié)構(gòu)的芯片，光從頂部的藍(lán)寶石取出，消除了電極和引線的遮光，提高了出光效率，同時襯底采用高導(dǎo)熱系數(shù)的硅，大大提高了芯片的散熱效果。

微噴結(jié)構(gòu)

Sheng Liu 等人提出了一種微噴結(jié)構(gòu)系統(tǒng)來解決了大功率LED的散熱問題。在該密封系統(tǒng)中，流體腔體中的流體在一定的壓力作用下在系列微噴口處形成強(qiáng)烈的射流，該射流直接沖擊LED芯片基板下表面并帶走LED芯片產(chǎn)生的熱量，在微泵的作用下，被加熱的流體進(jìn)入小型流體腔體向外界環(huán)境釋放熱量，使自身溫度下降，再次流人微泵中開始新的循環(huán)。這種微噴結(jié)構(gòu)具有散熱效高、LED芯片基板的溫度分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，但微泵的可靠性和穩(wěn)定性對系統(tǒng)的影響很大，同時該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜增加了運(yùn)行成本。

熱電制冷結(jié)構(gòu)

熱電制冷器是一種半導(dǎo)體器件，其PN結(jié)由兩種不同的傳導(dǎo)材料構(gòu)成，一種攜帶正電荷，另一種攜帶負(fù)電荷，當(dāng)電流通過結(jié)點(diǎn)時，兩種電荷離開結(jié)區(qū)，同時帶有熱量，以達(dá)到制冷的目的，其工作原理如下圖所示。

與其他大功率LED散熱結(jié)構(gòu)相比，熱電制冷結(jié)構(gòu)具有節(jié)能，小體積，易于與LED模塊集成等優(yōu)點(diǎn)。目前國內(nèi)外已有部分學(xué)者對大功率LED模塊上應(yīng)用熱電制冷結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)研究。田大壘等人將熱電制冷結(jié)構(gòu)應(yīng)用在LED的散熱系統(tǒng)上，并通過實(shí)驗(yàn)測試研究LED以及熱電制冷器在不同電流下的冷卻狀況，并測出LED結(jié)溫，結(jié)果表明，采用熱電制冷結(jié)構(gòu)的大功率LED陳列模塊能夠大大降低器件的工作溫度，與不采用該結(jié)構(gòu)相比，基板溫度能夠降低36%以上，該數(shù)據(jù)表明將熱電制冷結(jié)構(gòu)用在大功率LE D模塊上是一種很好的散熱方式。

鄭同場等人對采用熱電制冷結(jié)構(gòu)的50W大功率LED模組系統(tǒng)進(jìn)行了散熱模擬，LED模組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示，結(jié)果表明在某種程度上采用熱電制冷的LED模組系統(tǒng)能使LED結(jié)溫降低并且使用多級半導(dǎo)體制冷對大功率LED模組進(jìn)行散熱有更廣闊的研究價值。

Chun Kai Liu等人對大功率LED上采用熱電制冷結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了研究，結(jié)果表明采用熱電制冷結(jié)構(gòu)可以有效地將整個LED系統(tǒng)的熱阻降低到0，此外該研究組的成員還對采用熱電制冷的1W LED系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)研究，研究結(jié)果表明LED系統(tǒng)中含有熱電制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的光效是沒有熱電制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的1.3倍，可見熱電制冷系統(tǒng)對LED的熱阻及光效都有重要的影響。

封裝材料

通過上式的分析可以看出界面熱阻對大功率LED總熱阻的影響很大，減少LED總熱阻的要點(diǎn)在于如何減少界面熱阻，因而選擇合適的熱界面材料與基板材料十分重要。

熱界面材料

目前，LED封裝常用的熱界面材料有導(dǎo)熱膠、導(dǎo)電銀膠等。

(a)導(dǎo)熱膠

常用導(dǎo)熱膠的主要成分是環(huán)氧樹脂，因而其導(dǎo)熱系數(shù)較小，導(dǎo)熱性能差，熱阻大。為了提高其熱導(dǎo)性能，通常在基體內(nèi)部填充高導(dǎo)熱系數(shù)材料如三氧化二鋁、氮化硼、碳化硅等。導(dǎo)熱膠具有絕緣、導(dǎo)熱、防震、安裝方便、工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，但其導(dǎo)熱系數(shù)很低(一般低于1w/mk)，因而只能應(yīng)用在對散熱要求不高的LED封裝器件上。

(b)導(dǎo)電銀膠

導(dǎo)電銀膠是GeAs、SiC導(dǎo)電襯底LED，具有背面電極的紅光、黃光、黃綠芯片LED封裝點(diǎn)膠或備膠工序中關(guān)鍵的封裝材料，具有固定粘結(jié)芯片、導(dǎo)電和導(dǎo)熱、傳熱的作用，對LED器件的散熱性、光反射性、VF特性等具有重要的影響。作為一種熱界面材料，目前導(dǎo)電銀膠在LED行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。如此同時，部分學(xué)者對導(dǎo)電銀膠在LED中的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究。郝曉光從導(dǎo)電銀膠的導(dǎo)電機(jī)理、LED封裝用高可靠性導(dǎo)電銀膠的性能指標(biāo)、測試技術(shù)等方面的要求得出單組分無溶劑室溫貯存散熱型導(dǎo)電銀漿是目前LED封裝的發(fā)展方向，具有良好的前景。

基板材料

通過以上的分析，LED封裝器件的某條散熱途徑是從LED芯片到鍵合層到內(nèi)部熱沉到散熱基板最后到外部環(huán)境，可以看出散熱基板對LED封裝散熱的重要性，因而散熱基板必須具有以下特征：高導(dǎo)熱性、絕緣性、穩(wěn)定性、平整性和高強(qiáng)度。

(a)MCPCB

金屬基印制板(MCPCB)是在原有的印制電路板粘結(jié)在導(dǎo)熱系數(shù)較高的金屬上(銅、鋁等)，以達(dá)到提高電子器件的散熱效果。MCPCB是連接內(nèi)外散熱通路的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它有以下功能：①LED芯片的散熱通道;②LED芯片的電氣連接;③LED芯片的物理支撐。

MCPCB的優(yōu)點(diǎn)是成本比較低，能夠大規(guī)模生產(chǎn)，但也存在一定的缺點(diǎn)：①導(dǎo)熱系數(shù)低，MCPCB的熱導(dǎo)率可達(dá)到1—2.2W/(m·K)。②MCPCB結(jié)構(gòu)中的絕緣層厚度要適中，既不能太厚也不能太薄。絕緣層太厚增加了整個MCPCB的熱阻影響散熱效果;絕緣層太薄，如果施加在MCPCB上的電壓過高會擊穿絕緣層，導(dǎo)致短路。為了提高M(jìn)CPCB的熱導(dǎo)率，李華平等人通過系列實(shí)驗(yàn)，將20um到40um等離子微弧氧化(MAO)膜的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，將其熱導(dǎo)率達(dá)到2.3 W/(m·K)，因而MAO—MCPCB基板的熱阻更低(低于10K/W)，從而使得該類型的散熱基板在LED行業(yè)甚至是普通照明行業(yè)中將大露頭角。

(b)陶瓷基板

由陶瓷燒結(jié)而成的基板散熱性佳、耐高溫、耐潮濕、崩潰電壓、擊穿電壓也較高，并且其熱膨脹系數(shù)匹配性佳，有減少熱應(yīng)力及熱形變的特點(diǎn)。因此，陶瓷有望成為今后大功率LED封裝中的重要基板材料。目前最見用的陶瓷材料主要有氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹、碳化硅等。這些常用陶瓷材料的性能見下表。

從上表的數(shù)據(jù)可以看出，氮化鋁、氧化鈹、碳化硅這三種材料的導(dǎo)熱性比較好，氧化鋁的導(dǎo)熱性較差，大約是氮化鋁的七分之一。但在這三種高導(dǎo)熱系數(shù)的材料中，BeO有毒性，若不慎將其吸人肺部會引起肺鈹病，目前世界上已有部分國家開始禁用該材料;AlN雖然導(dǎo)熱系數(shù)高，但是技術(shù)門檻相對較高，因此價格也比較高;純的SiC并不是完全絕緣的，要使其完全絕緣必須添加少量的BeO等材料，并且燒制出的SiC介電常數(shù)比較高，并不適合做基板材料;Al2O3除了導(dǎo)熱性較差之外，成本也比較高，但是其具有機(jī)械性能好，制作工藝成熟、成本低等優(yōu)點(diǎn)。因而，在今后的研發(fā)和生產(chǎn)工作中，要想選擇合適的陶瓷材料作為基板材料，應(yīng)綜合全面地考慮這四種材料的性質(zhì)、成本等特性。

通過對大功率LED器件的熱阻進(jìn)行分析，并從封裝結(jié)構(gòu)和封裝材料兩個方面進(jìn)行具體的探討，得出如下結(jié)論：

1)在大功率LED封裝器件中，要實(shí)現(xiàn)低熱阻、散熱快的目的，封裝結(jié)構(gòu)成為關(guān)鍵技術(shù)所在，努力尋找更優(yōu)良的封裝結(jié)構(gòu)以提高LED封裝器件的散熱是今后的熱點(diǎn)話題。

2)要解決大功率LED封裝器件的散熱問題，必須選擇合適的封裝材料(包括熱界面材料和基板材料等)。在選擇熱界面材料及基板材料的過程中，應(yīng)根據(jù)合適的場合選擇合適的材料。一般大功率LED封裝中使用較普遍的熱界面材料是導(dǎo)電銀膠，使用較普遍的基板是陶瓷基板。