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，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)點時，兩種電荷離開結(jié)區(qū)，同時帶有熱量，以達到制冷的目的，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。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，并通過實驗測試研究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，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)用進行了相關(guān)研究。郝曉光從導(dǎo)電銀膠的導(dǎo)電機理、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)點是成本比較低，能夠大規(guī)模生產(chǎn)，但也存在一定的缺點：①導(dǎo)熱系數(shù)低，MCPCB的熱導(dǎo)率可達到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MCPCB的熱導(dǎo)率，李華平等人通過系列實驗，將20um到40um等離子微弧氧化(MAO)膜的工藝參數(shù)進行優(yōu)化，將其熱導(dǎo)率達到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。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，但是其具有機械性能好，制作工藝成熟、成本低等優(yōu)點。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器件的熱阻進行分析，并從封裝結(jié)構(gòu)和封裝材料兩個方面進行具體的探討，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。