大功率LED散热封装技术研究的新进展.pdf

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1、定 稿 日 期 : 2 0 0 7 - 0 8 - 3 1作 者 简 介 : 苏 达 ( 1 9 8 4 - ) , 女 , 湖 北 武 穴 人 , 博 士 。 研 究方 向 为 L E D 器 件 。1引 言发 光 二 极 管 （ L E D ） 诞 生 至 今 ， 已 经 实 现 了 全 彩化 和 高 亮 度 化 ， 并 在 蓝 光 L E D 和 紫 光 L E D 的 基 础上 开 发 了 白 光 L E D ， 它 为 人 类 照 明 史 又 带 来 了 一 次飞 跃 。 与 白 炽 灯 和 荧 光 灯 相 比 ， L E D 以 其 体 积 小 ， 全固 态 ， 长 寿 命 ， 环

2、 保 ， 省 电 等 一 系 列 优 点 ， 已 广 泛 用 于汽 车 照 明 、 装 饰 照 明 、 手 机 闪 光 灯 、 大 中 尺 寸 ， 即 N B和 L C D - T V 等 显 示 屏 光 源 模 块 中 ， 已 经 成 为 2 1 世 纪最 具 发 展 前 景 的 高 技 术 领 域 之 一 。L E D 是 一 种 注 入 电 致 发 光 器 件 ， 由 族 化合 物 ， 如 磷 化 镓 （ G a P ） 、 磷 砷 化 镓 （ G a A s P ） 等 半 导 体制 成 。 在 外 加 电 场 作 用 下 ， 电 子 与 空 穴 的 辐 射 复 合 而发 生 的 电

3、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 产 生 的 晶 格 振 荡 将 其 余 的 能 量转 化 为 热 能 。 目 前 ， 高 亮 度 白 光 L E D 在 实 验 室 中 已经 达 到 1 0 0 l m / W 的 水 平 ， 5 0 l m / W 的 大 功 率 白 光L E D 也 已 进 入 商 业 化 ， 单 个 L E D 器 件 也 从 起 初 的 几毫 瓦 一 跃 达 到 了 1 . 5 k W 。 对 大 于 1 W 级 的 大 功 率L E D 而 言 ， 目 前 的 电 光 转 换 效 率 约 为

4、1 5 % ， 剩 余 的8 5 % 转 化 为 热 能 ， 而 芯 片 尺 寸 仅 为 1 m m 1 m m 2 . 5 m m 2 . 5 m m ， 意 即 芯 片 的 功 率 密 度 很 大 。 与 传 统 的照 明 器 件 不 同 ， 白 光 L E D 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 。 因 此 ， 如 何 提高 散 热 能 力 是 大 功 率 L E D 实 现 产 业 化 亟 待 解 决 的关 键 技 术 难 题 之 一 1 。2热 效 应 对 大 功 率L E D的 影 响对 于 单 个 L E D

5、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 的 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 时 ， 器 件 的 失 效 率 将 呈 指 数 规 律 攀 升 ， 元 件 温 度每 上 升 2 ， 可 靠 性 将 下 降 1 0 % 2 。 为 了 保 证 器 件 的寿 命 , 一 般 要 求 p n 结 的 结 温 在 1 1 0 以 下 。 随 着 p n结 的 温 升 ， 白

6、 光 L E D 器 件 的 发 光 波 长 将 发 生 红 移 。据 统 计 资 料 表 明 ， 在 1 0 0 的 温 度 下 ， 波 长 可 以 红移 4 9 n m ， 从 而 导 致 Y A G 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 ， L E D 的 发 光 强 度 会 相 应 减 少 1 % 左 右 ，当 器 件 从 环 境 温 度 上 升 到 1 2 0 时 ， 亮 度 下 降 多 达3 5 % 。 当 多 个 L E D 密 集 排 列 组 成 白 光 照 明 系 统

7、 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 L E D 应 用 的 先 决 条 件 。3国 内 外 的 研 究 进 展针 对 高 功 率 L E D 的 封 装 散 热 难 题 ， 国 内 外 的 器件 设 计 者 和 制 造 者 分 别 在 结 构 、 材 料 以 及 工 艺 等 方面 对 器 件 的 热 系 统 进 行 了 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 、大 功 率 L E D 散 热 封 装 技 术 研 究 的 新 进 展苏

8、 达 , 王 德 苗（ 浙 江 大 学 ， 浙 江 杭 州 3 1 0 0 2 7 ）摘 要 ： 如 何 提 高 大 功 率 发 光 二 极 管 （ L i g h t E m i t t i n g D i o d e ， 简 称 L E D ） 的 散 热 能 力 ， 是 L E D 器 件 封 装 和 器 件 应 用 设计 要 解 决 的 核 心 问 题 。 详 细 分 析 了 国 内 外 大 功 率 L E D 散 热 封 装 技 术 的 研 究 现 状 ； 总 结 了 其 发 展 趋 势 ， 并 指 出 了 减 少内 部 热 沉 可 能 是 今 后 的 发 展 方 向 。关 键 词

9、： 电 力 半 导 体 器 件 ； 发 光 二 极 管 ； 光 电 元 件 ； 散 热 ； 封 装中 图 分 类 号 : T N 3 1 2 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 1 0 0 0 - 1 0 0 X （ 2 0 0 7 ） 1 0 - 0 0 1 3 - 0 3N e w D e v e l o p m e n t o f T e c h n i c a l R e s e a r c h o n H e a t - R e l e a s e P a c k a g eo f H i g h - P o w e r L E D sS U D a ， W A N G

10、D e - m i a o（ Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ， H a n g z h o u 3 1 0 0 2 7 ， C h i n a ）A b s t r a c t ： H o w t o i m p r o v e t h e h e a t - s i n k i n g c a p a b i l i t y i s o n e o f t h e k e y t e c h n i c a l p r o b l e m s f o r t h e p a c k a g e a n d a p p l i -c a t i o n

11、 d e s i g n o f d e v i c e c o n c e r n e d w i t h h i g h - p o w e r L E D s . T h e p r e s e n t t e c h n i c a l r e s e a r c h o n h e a t - r e l e a s e p a c k a g e o f h i g h -p o w e r L E D s i s a n a l y z e d ， a n d t h e t r e n d i s s u m m a r i z e d . B e s i d e s ， i

12、t s u g g e s t s t h a t r e d u c i n g t h e i n t e r n a l h e a t s i n k m a y b e o n eo f t h e d e v e l o p m e n t s i n t h e f u t u r e .K e y w o r d s ： p o w e r s e m i c o n d u c t o r d e v i c e ； l i g h t e m i t t i n g d i o d e ； p h o t o d e v i c e ； h e a t r e l e a

13、s e ； p a c k a g e电 力 电 子 技 术P o w e r E l e c t r o n i c s第 4 1 卷 第 1 0 期2 0 0 7 年 1 0 月V o l . 4 1 , N o . 1 0O c t o b e r , 2 0 0 71 3电 力 电 子 技 术P o w e r E l e c t r o n i c s第 4 1 卷 第 1 0 期2 0 0 7 年 1 0 月V o l . 4 1 , N o . 1 0O c t o b e r , 2 0 0 7导 热 槽 结 构 、 微 流 阵 列 结 构 等 ； 在 材 料 的 选 取 方

14、面 ，选 择 合 适 的 基 板 材 料 和 粘 贴 材 料 ， 用 硅 树 脂 代 替 环氧 树 脂 。3 . 1 封 装 结 构为 了 解 决 高 功 率 L E D 的 封 装 散 热 难 题 ， 国 际 上开 发 了 多 种 结 构 ， 主 要 有 ：( 1 ) 硅 基 倒 装 芯 片 ( F C L E D ) 结 构传 统 的 L E D 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

15、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 。2 0 0 1 年 ， L u m i L e d s 公 司 研 制 出 了 A l G a I n N 功 率型 倒 装 芯 片 结 构 。 图 1 示 出 芯 片 的 正 装 结 构 和 倒 装结 构 对 比 。 L E D 芯 片 通 过 凸 点 倒 装 连 接 到 硅 基 上 。这 样 ， 大 功 率 L E D 产 生 的 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

16、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 ， 因 此 可 降 低 内 部 热 沉 热 阻 2 。 这 种 结 构 的 热 阻 理论 计 算 最 低 可 达 到 1 . 3 4 K / W ， 实 际 已 作 到 6 8 K / W ，出 光 率 也 提 高 了 6 0 % 左 右 。 但 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 降 低 内 部 热 沉 的 热阻 ， 这 就 制 约 了 其 传 热

17、 性 能 的 进 一 步 提 高 。( 2 ) 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P C B 板 上 ， 或 者 将 芯 片 封 装 在 金 属 夹 芯 的 P C B 板上 ， 然 后 再 封 装 到 散 热 片 上 ， 以 解 决 L E D 因 功 率 增大 所 带 来 的 散 热 问 题 。 采 用 该 结 构 能 获 得 良 好 的 散热 特 性 ， 并 大 大 提 高 了 L E D 的 输 入 功 率 3 。 美 国U O E 公

18、 司 的 N o r l u x 系 列 L E D ， 将 已 封 装 的 产 品 组 装在 带 有 铝 夹 层 的 金 属 芯 P C B 板 上 ， 其 中 P C B 板 用 作对 L E D 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 结 构 。 其 缺 陷 在 于 ，夹 层 中 的 P C B 板 是 热 的不 良 导 体 ， 它 会 阻 碍 热 量的 传 导 。 据 研 究 ， 将 O S R A M 公 司 的 G o l d e n D r a g o n系 列 白 光 L E D 芯 片 L W W

19、5 S G 倒 装 在 一 块 3 m m 3 m m ， 且 水 平 放 置 的 金 属 线 路 板 上 ， 在 L E D 器 件 与金 属 线 路 板 之 间 涂 敷 1 8 9 8 I n - S i l - 8 热 接 口 材 料 ， 其系 统 热 阻 约 为 6 6 . 1 2 K / W 1 。( 3 ) 微 泵 浦 结 构2 0 0 6 年 S h e n g L i u 等 人 通 过 在 散 热 器 上 安 装 一个 微 泵 浦 系 统 ， 解 决 了 L E D 的 散 热 问 题 ， 并 发 现 其散 热 性 能 优 于 散 热 管 和 散 热 片 。 在 封 闭 系

20、统 中 ， 水 在微 泵 浦 的 作 用 下 进 入 了 L E D 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 这种 微 泵 浦 结 构 。 它 能将 外 部 热 阻 降 为0 . 1 9 2 K / W ， 并 能 进 行封 装 4 。 这 种 微 泵 结 构的 制 冷 性 较 好 ， 但 如前 两 种 结 构 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 结 构 也 嫌 复 杂 。3 . 2 封 装 材 料确 定 封 装 结 构 后 ， 可 通

21、 过 选 取 不 同 的 材 料 进 一步 降 低 系 统 热 阻 ， 提 高 系 统 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 L E D 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 选 用 陶 瓷 、 C u / M o 板 和 C u / W 板 等 合 金 作 为 散热 材 料 ， 但 这 些 合 金 的 生 产 成 本 过 高 ， 不 利 于 大 规模

22、 、 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 5 。( 2 ) 粘 贴 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 ， 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 贴 。 导 热 胶 虽 有 较 低 的 硬 化温 度 （ 1 5 0 ） ， 但 导 热 特 性 较 差 ； 导 电 型

23、银 浆 粘 贴 的硬 化 温 度 一 般 低 于 2 0 0 ， 既 有 良 好 的 热 导 特 性 ， 又有 较 好 的 粘 贴 强 度 ， 但 因 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 。 与 前 两 者 相 比 ， 导 电 型 锡 浆 的 热 导 特 性 是 3种 材 料 中 最 优 的 ， 导 电 性 能 也 非 常 优 越 1 。( 3 ) 环 氧 树 脂环 氧 树 脂 作 为 L E D 器 件 的 封 装 材 料 ， 具 有 优良 的 电 绝 缘 性 能 、 密 着 性 和

24、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 下图 1 芯 片 的 正 装 结 构 和 倒 装 结 构 对 比图 3 微 泵 浦 结 构图 2 金 属 线 路 板 结 构1 4!易 变 色 ， 而 且 在 固 化 前 有 一 定 的 毒 性 ， 故 对 L E D 器件 的 寿 命 造 成 影 响 。 目 前 许 多 L E D 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L E D 的 寿 命 。3 . 3 小 结总 的 来 说 ， 具 有 低 热

25、阻 、 良 好 散 热 能 力 以 及 低 机械 应 力 的 新 式 封 装 结 构 是 封 装 体 的 技 术 关 键 。 不 同的 结 构 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 问 题 。 由 这 3 个 环 节 构 成 的 固 态 照 明 光 源 热 传 导通 道 ， 其 中 出 现 任 何 一 个 薄 弱 环 节 都 会 使 L E D 光 源毁 于 一 旦 。 结 点 到 周 围 环 境 的 热 传 导 方 式 有 传 导 、 对流 、 辐 射 3 种 。 意

26、 即 ， 要 想 将 功 率 L E D 的 散 热 性 能 和可 靠 性 提 升 到 最 高 ， 这 三 个 环 节 都 要 采 用 热 导 系 数高 的 材 料 。4发 展 趋 势目 前 ， 很 多 功 率 型 L E D 的 驱 动 电 流 都 能 达 到7 0 m A ， 1 0 0 m A 甚 至 1 A 级 。 随 着 工 作 电 流 的 加 大 ， 解决 散 热 问 题 已 成 为 大 功 率 L E D 实 现 产 业 化 的 先 决条 件 。 根 据 上 述 L E D 器 件 的 散 热 环 节 ， 从 以 下 几 方面 对 提 高 大 功 率 L E D 的 散 热 性

27、能 进 行 了 研 究 。（ 1 ） L E D 产 生 热 量 的 多 少 取 决 于 内 量 子 效 应 。在 氮 化 镓 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 以 铝 基 为 主 的 金 属 芯 印 刷 电 路 板 （ M C -P C B ） 、 陶 瓷 、 D B C 、 复 合 金 属 基 板 等 导 热 性 能 好 的 材料 作 衬

28、底 ， 以 加 快 热 量 从 外 延 层 向 散 热 基 板 散 发 。 通过 优 化 M C P C B 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 （ L T C C - M ） 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 ， 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 。

29、无 论 从成 本 还 是 外 观 的 角 度 来 看 ， L E D 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 L E D 器 件 而 言 ， 其 总 热 阻 是 p n结 到 外 界 环 境 热 路 上 几 个 热 沉 的 热 阻 之 和 ， 其 中 包括 L E D 本 身 的 内 部 热 沉 热 阻 、 内 部 热 沉 到 P C B 板之 间

30、的 导 热 胶 的 热 阻 、 P C B 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 过 长 期研 究 认 为 ， 减 少 内 部 热 沉 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 ， 能 够 大 幅 度 降 低 总 热 阻 ， 这 种 技 术 有 可 能 成为 今 后 大 功 率 L E D 散 热 封 装 的 主 流 方 向 。参

31、 考 文 献 1 王 垚 浩 ， 余 彬 海 ， 李 舜 勉 . 功 率 L E D 芯 片 键 合 材 料 对 器件 热 特 性 影 响 的 分 析 与 仿 真 J . 佛 山 科 学 技 术 学 院 学 报 ，2 0 0 5 ， 2 3 （ 4 ） ： 1 4 1 7 . 2 钱 可 元 ， 郑 代 顺 ， 罗 毅 . G a N 基 功 率 型 L E D 芯 片 散 热性 能 测 试 与 分 析 J . 半 导 体 光 电 ， 2 0 0 6 ， 2 7 （ 3 ） ： 2 3 6 2 3 9 . 3 李 炳 乾 . 基 于 金 属 线 路 板 的 新 型 大 功 率 L E D 及

32、其 光 电特 性 研 究 J . 光 子 学 报 ， 2 0 0 5 ， 3 4 （ 3 ） ： 3 7 2 3 7 4 . 4 S h e n g L i u ， T i m L i n ， X i a o b i n g L u o ， e t a l . A M i c r o j e t A r -r a y C o o l i n g S y s t e m F o r T h e r m a l M a n a g e m e n t o f A c t i v eR a d e r s a n d H i g h - B r i g h t n e s s L E D s A .

33、 E l e c t r o n i c C o m p o -n e n t s a n d T e c h n o l o g y C o n f e r e n c e C . 2 0 0 6 ： 1 6 3 4 1 6 3 8 . 5 维 捷 斯 拉 夫 本 达 ， 约 翰 戈 沃 ， 邓 肯 A 格 兰 特 . 功 率 半 导体 器 件 理 论 及 应 用 M . 北 京 ： 化 学 工 业 出 版 社 ，2 0 0 5 .山 东 新 风 光 电 子 公 司 荣 获 中 国 名 牌 产 品 称 号据 国 家 质 检 总 局 2 0 0 7 年 9 月 1 0 日 消 息 ， 山 东

34、新 风 光 电 子 科 技 发 展 有 限 公 司 的 系 列 产 品 变 频 器 , 被认 定 为 中 国 名 牌 产 品 , 有 效 期 3 年 。 据 悉 ， 这 是 国 内 变 频 器 行 业 首 次 认 定 中 国 名 牌 。变 频 技 术 被 国 家 发 改 委 列 为 重 点 推 广 的 十 大 节 能 技 术 之 一 ， 社 会 效 益 十 分 明 显 。 山 东 新 风 光 电 子公 司 是 变 频 器 国 家 标 准 起 草 单 位 、 中 国 电 器 工 业 协 会 变 频 器 分 会 副 理 事 长 单 位 、 山 东 省 变 频 调 速 技 术研 究 推 广 中 心 。 公 司 所 掌 握 的 大 功 率 异 步 电 机 变 频 调 速 技 术 综 合 运 用 了 几 十 项 专 利 技 术 ， 水 平 国内 领 先 。中 国 名 牌 产 品 的 申 报 和 评 价 ， 严 格 遵 守 中 国 名 牌 产 品 管 理 办 法 ， 近 三 年 省 级 以 上 （ 含 省 级 ） 质 量监 督 检 查 、 环 保 安 全 检 查 不 合 格 的 ， 以 及 发 生 过 质 量 、 安 全 、 环 保 等 重 大 事 故 的 企 业 不 得 申 报 。大 功 率 L E D 散 热 封 装 技 术 研 究 的 新 进 展1 5