基于功率型LED散热技术的研究

　　照明工程学报基于功率型LED散热技术的研究刘一兵黄新民刘国华（湖南大学信息与电气工程学院，湖南长沙410082；邵阳职业技术学院机电工程系湖南邵阳422000）来解决散热问题。芯片采用倒装焊结构，可降低热阻，提高散热能力，对倒装焊结构的热能扩散途径进行了阐述，指出采用导热性能优良的封装材料是提高散热效率的重要途径。并对密封材料，键合材料，散热基板对散热的影响作了详细的分析，后介绍了采用热沉散热的新进展，并提出了今后的研究方向。

　　随着MOCVD外延生长技术，多量子阱（MQW）结构，GaN基材料及封装技术的发展，发光二极管（LED）的应用已由显示领域逐渐转移进入到照明领域。LED具有高效、节能、环保、寿命长、响应速度快等特点，被认为作为照明光源必将成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源，市场前景十分广阔。然而，散热制约了LED功率的进一步提高。本文在分析热效应对其影响的基础上1功率型LED受热效应的影响分析LED发光机理是靠电子在能带间跃迁产生光，其光谱中不含红外成分，因此，产生的热量不能靠辐射发出，故LED是冷光源。当它在外加电场作用下，电子与空穴的辐射复合发生电致作用将一部分能量转化为光能，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LED的发光效率仅能达到10~20，其余80~ 90的能量转化为热能。随着LED功率的提高，热流密度相应增加，致使芯片内PN结结温升高，这种由温升引起的热效温度。本文主要从改进LED结构角度来解决散热问应对LED的性能产生严重的影响：使芯片的发射光题。谱发生红移，如果波长偏移过多，偏离了荧光粉的吸收峰，将导致荧光粉量子效率降低，影响出光效率，从而使辐射波长发生变化引起白光LED色温、色度的变化，加速荧光粉及器件的老化，缩短使用寿命，甚至导致芯片烧毁。因此，由于温度升高而产生的各种热效应会严重影响到LED器件的使用寿命和可靠性，对基本结构进行热分析显得异常关键。

　　2功率型LED散热研究解决功率型LED散热问题的方法主要有两种：一是提高器件内量子效率，从而提高芯片发光效率，从根本上减少热量的产生；二是改进LED结构及外接热沉，加快内部热量的散发以有效地降低芯片的2.1芯片采用倒装焊结构传统的蓝宝石衬底GaN芯片结构如示，这种结构pn结的热量通过蓝宝石衬底导出去，导热路径较长，由于蓝宝石的热导系数较金属低（为35W/（m*K）），热阻较大，热量只能靠芯片的引脚散发，因此这种结构散热效果差，影响了器件的性能及可靠性。为了提高功率型LED的散热能力和出光效率，LumiledsLighting公司发明了倒装芯片（fli-chip）结构，目前功率型LED均采用这种结构，如（b）所示。与正装结构相比，这种结构使器件的热量不必经由蓝宝石衬底，而是由焊接层传导至Si衬底，再经Si衬底和粘接材料传导至金属底座。由于Si材料热导率较高，可有效降低器件的热2.2基于倒装焊功率LED散热分析倒装焊功率LED的实际内部封装结构如所示：LED芯片用焊料焊接在表面绝缘的芯片热沉上，通过金线键合完成与引线框架的电气接连，热沉四周用塑料材料封装，芯片外部用具有热稳定性，绝缘性和光学透明的树脂材料进行密封，再将整个LED器件贴在基板上，然后外接散热肋片以提高散热效果，这种结构少部分的热能通过密封材料直接散发到周围环境，大部分热量通过发光层（热量产生）+衬底+芯片键合层+基板+散热肋片这条途径散发到周围环境中。封装材料对散热效果影响很大，因此，寻找导热性能优良的封装材料，从材料方面对器件的热系统进行优选是提高散热效率的重要途径。封装材料主要包括基板、布线、框架、键合材料和密封材料等。下面就密封材料、键合材料、基板材料进行研究。

　　传统的LED密封材料采用环氧树脂，具有优良的电绝缘性能和介电性能，但具有吸湿性，易老化，更由于环氧树脂的主链为C―C或CiO，键能分别为356kJ/mol和344.4kJ/mol，相对来说偏低，造成耐热性差，当温度升高及蓝光和紫外线照射时会变黄，使其透明度严重下降。Barton等研究发现，150°C左135°C~145°C会引起树脂严重退化，影响LED寿命。

　　在大电流条件下，封装材料甚至会碳化而使器件失效。为此，Lumileds公司生产的LED产品中首先采用硅树脂取代环氧树脂，硅树脂的主要结构包括Si和O，主链Si-O―Si是无机的，由于Si-O键具有较高的键能（42251J/mol）和离子化倾向，因此具有优良的耐热性，同时还具有更好的机械特性和抗紫外照射和高强度蓝光的辐射。纽约Toy照明研究中心曾对此进行过专门研究测试。测试结果如表1所示。

　　表1不同封装材料的测试比较品种环境驱动电流连续工作时间光衰程度5mm环氧树脂封装GaN基白光LED硅树脂封装室温条件2.2.2键合材料衬底键合材料对器件的热导性能有较大的影响，如果处理不当，将导致LED的热阻增大，造成在额定工作条件下器件的结温过高而使LED的出光效率下降，可靠性降低。功率型倒装焊LED芯片可以通过导热胶粘贴，导电型银浆粘贴和锡浆粘贴三种方式键合在管座（器件内部热沉）上。导热胶的硬化温度一般低于150°C，甚至可以在室温下固化，但它的热传导系数只有0.7W/（m*K），导热特性较差。导电型银浆的硬化温度一般低于200°C，热传导系数为20W/（m*K）左右。有良好的热导特性，同时粘贴强度也较好。锡浆的热传导系数为50W/m* 2.2.3散热基板散热基板的作用是吸收芯片产生的热量，并传导到散热肋片上，实现与外界的热交换。功率型LED基板材料要求有高电绝缘性，高稳定性，高导热性及与芯片相近的热膨胀系数（CTE），平整性和较高的强度。常用的基板材料有硅，金属（如铝，铜），陶瓷（如Al23，AlN，SiC）和复合材料，其中硅和陶瓷材料加工困难，成本高，金属材料的热膨胀系数与LED晶粒不相匹配（如LED晶粒的热膨胀系数典型值为5.5x10-6/K，而铜17x10-6/K，铝为23x1-6/K），在使用过程中将产生热应力和翘曲，难以满足高密度封装的要求。为此，研究出了一些新型的散热基板材料。

　　金属芯印刷电路板是将一种热传导系数高的金属（如铝为230W/（m*K），铜为400W/（m*K））装进印刷电路板内，以解决功率器件的散热问题。目前一些的半导体照明公司如Lumileds，Nichia，Ci.ee，Osram，UOE，ToyodaGosei，Lamina等，都米用了类型的金属芯基板，UOE采用了钢芯覆搪瓷，OSRAM推出了单芯片将芯片用红外或回流焊焊接在铜合金热扩散层上，热扩散层再焊接在铝芯MCPCB上，铝芯表面介电层为热增强聚合物，热传导系数可达1.3W/（m*K），热沉与MCPCB直接接触，具有良好的散热效果。

　　目前研制出一种新型低成本MCPCB即用等离子微弧氧化（MA0）工艺制作的铝芯金属线路板，采用微弧氧化处理生长一层40Pm厚的氧化铝薄膜，K左右，是这三种键合材料中热导特性优的，一可以抗1000V静电击穿，在介质膜上丝网印刷可焊般用于金属之间焊接，导电性能也很优越。在使接的厚膜导电线路带再烧结，可制成MCPCB.这种用时，芯片键合材料的厚度也应适度，厚度过厚会AI2O3/AI基板具有低成本、低热阻、性能稳定、便装连接技术的发展方向。ademie Eleetr（）niePublish接在一起，这种工艺制成的陶瓷基板结构简单ftet材bookmark4使热阻增大，影响散热效果，厚度太薄时难以保证芯片与管座之间的机械强度，从而影响器件在过回流焊或其他焊接方式过程中对器件的损坏。

　　随着技术的发展，已出现了多种新型的芯片封装连接技术，它们从高可靠性、高导电率和良好的热传导性能等方面表现出强大的优势。典型的是用于功率电子封装的纳米银焊低温烧结连接技术。

　　所采用的纳米银层的热传导系数高达238W/（m*K），具有良好的导热性，同时结构更简单，热机械性能和导电性也有较大的优势，已成为功率LED封于加工和进行多样结构的封装等优点。

　　陶瓷基板材料为解决LED封装时要求基板材料稳定性好的问题，可米用陶瓷材料。LaminaCeramics公司自行研制了低温共烧陶瓷金属基板（LTCC-M），并开发了相应的LED封装技术，实现了LED封装导热性能的突破。多层陶瓷通过低温烧结在铜钼铜（CuMoCu）金属上，共烧收缩率仅为0.1，钼铜复合材料具有与芯片相近的热膨胀系数，而陶瓷层具很高的介电性，因此，可将LED芯片与这种陶瓷基板直接焊料热传导系数达到170W/m*K，热界面少，从而大大提高了散热能力，可实现功率型LED阵列封装。2005年2月在约30cm2的阵列上，用1120个R.G.BLED，1400W的电驱动，获得了2800lm的光通量。

　　德国Curmilk公司研制出高导热性覆铜陶瓷板（DEC），用铜箔在高温高压下直接键合到陶瓷基板（AlN或Al2O3）表面上烧结而成，没有使用黏结剂，因此，导热性能好，强度高，绝缘性强，且便于装配，热膨胀系数为4.0x10-6/K，与硅的热膨胀系数（约为3.2x10-6/K）相当，被认为是半导体封装的理想材料。

　　金属基复合材料（MMC）将金属材料的高导热性和增强体材料的低热膨胀系数结合起来，具有热传导系数大（大于200W/（m*K）），热膨胀系数可以调节，比重小，强度和硬度高，制造成本低等优点能大大改善系统的可靠性，在功率型LED封装中开始获得了应用，具有代表性的材料为Al―SiC复合材料，能发挥出各自的优点，克服各自的缺点，从而表现出综合的优良性能，使得整个元器件的可靠性和稳定性提高。

　　等人研究了Ci-GraphiteMMC的制备工艺，通过控制纤维的类型和结构，其热膨胀系数可在（7.09~15.08x10-6/K范围内调节，热导率高达325.4~779.7胃（爪*幻，且能与传统的金属镀层和焊接技术兼容，这种材料已在大功率电子器件散热中获得了实际的应用。

　　2.3热沉散热为将LED器件产生的热量能有效散发到环境中，采用合适的热沉散热是很有必要的。常用的热沉结构分为被动和主动散热两种。功率型LED必须采用主动散热方式，并根据不同的应用选择不同的方案。对功率密度小，成本要求低的LED可优先采用翅片加风扇的散热方法；对功率密度适中，成本要求不高的LED可选择微热管散热，对功率密度大，要求器件温度较低的LED可使用强迫对流和微通道致冷方式。国内学者对这方面进行了研究。罗小兵，陈伟等将封闭微喷流冷却系统应用于功度型LED散热，系统采用一个微泵驱动，依靠封闭微喷系统实现功率型LED芯片组的高效散热。实验过程通过测量LED芯片组中各点的温度研究该冷却用珀尔贴效应设计了采用半导体致冷技术散热的集成大功率LED，不但从根本上解决大功率集成LED器件的散热问题，还可以使LED器件在高温，震荡等恶劣环境中正常工作，延长LED的寿命。

　　3结语随着W级以上大功率LED芯片的研制成功，大大提升了在照明领域的应用潜力。但输入功率的提高意味着更多的热量需要从芯片pn结区有效地散发出。因此，大工作电流的功率型LED芯片，低热阻，散热良好及低应力的新的封装结构成为技术关键。本文从芯片结构及封装材料的选择对散热的影响进行分析。笔者认为，采用硅树脂和复合材料如陶瓷基，金属复合材料尤其是纳米复合材料将是今后封装材料的发展方向。随着科学技术的发展，必然会出现新工艺，新高热导率的封装材料满足LED散热的要求。