大功率LED散熱封裝技術(shù)研究
蘇達(dá) 王德苗
(浙江大學(xué)信息與電子工程系 杭州 310027)

摘 要
如何提高散熱能力是大功率LED實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文詳細(xì)分析了國(guó)內(nèi)外大功率LED散熱封裝技術(shù)的研究現(xiàn)狀，總結(jié)了其發(fā)展趨勢(shì)并提出減少內(nèi)部熱沉可能是今后的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞 大功率LED 散熱 封裝

引言
LED誕生至今，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全彩化和高亮度化，并在藍(lán)色／紫色LED基礎(chǔ)上產(chǎn)生了白光LED，帶來(lái)了人類(lèi)照明史上的又一次飛躍。與白熾燈和熒光燈相比，LED以其體積小、全固態(tài)、長(zhǎng)壽命、環(huán)保、省電等一系列優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)

用在汽車(chē)照明、裝飾照明、手機(jī)閃光燈、大中尺寸(NB、LCD．'IV等)顯示屏光源模塊等領(lǐng)域，成為21世紀(jì)最具發(fā)展前景的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。
發(fā)光二極管是一種注入電致發(fā)光器件，由Ⅲ ～Ⅳ族化合物制成。在外加電場(chǎng)作用下，電子與空穴的輻射復(fù)合而發(fā)生的電致作用將一部分能量轉(zhuǎn)化為光能
(量子效應(yīng))，而無(wú)輻射復(fù)合產(chǎn)生的晶格振蕩將其余的能量轉(zhuǎn)化為熱能。目前，高亮度白光LED在實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)達(dá)到100 lⅡl，w 的水平，50 lm／W 的大功率白光LED也已步入產(chǎn)業(yè)化，單個(gè)LED器件也從起初的幾
毫瓦一躍達(dá)到了1500W。對(duì)于瓦級(jí)(≥lW)大功率LED而言，目前的電光轉(zhuǎn)換效率約為15％ ，剩余的85％轉(zhuǎn)化為熱能，而芯片尺寸僅為1mm×1mm～2．5mm×2．5mm，也就是說(shuō)芯片的功率密度很大。與傳統(tǒng)的照明器件不同，白光

LED的發(fā)光光譜中不包含紅外部分，所以其熱量不能依靠輻射釋放。因此如何提高散熱能力是大功率LED實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 熱效應(yīng)對(duì)大功率LED的影響

對(duì)于單個(gè)LED而言，如果熱量集中在尺寸很小的芯片內(nèi)而不能有效散出，則會(huì)導(dǎo)致芯片溫度升高，引起熱應(yīng)力的非均勻分布、芯片發(fā)光效率和熒光粉激射效率下降。研究表明：當(dāng)溫度超過(guò)一定值，器件的失效率將呈指數(shù)規(guī)律攀

升，元件溫度每上升2~C，可靠性下降10％[3 3。為了保證器件的壽命，一般要求PN結(jié)結(jié)溫在110cI：以下。隨著PN結(jié)的溫升，白光LED器件的發(fā)光波長(zhǎng)將發(fā)生紅移。統(tǒng)計(jì)資料表明：在100cI：的溫度下，波長(zhǎng)可以紅移4～9nm，

從而導(dǎo)致YAG熒光粉吸收率下降，總的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)減少，白光色度變差。在室溫附近，溫度每升高1 cI：，LED的發(fā)光強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)地減少1％左右。當(dāng)多個(gè)LED密集排列組成白光照明系統(tǒng)時(shí)，熱量的耗散問(wèn)題更嚴(yán)重。因此解決散

熱問(wèn)題已成為功率型LED應(yīng)用的先決條件 。 resheji.com
2 國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展
針對(duì)高功率LED的封裝散熱難題，國(guó)內(nèi)外器件的設(shè)計(jì)者和制造者分別在結(jié)構(gòu)和材料等方面對(duì)器件的散熱系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如，在封裝結(jié)構(gòu)上，采用大面積芯片倒裝結(jié)構(gòu)、金屬線路板結(jié)構(gòu)、導(dǎo)熱槽結(jié)構(gòu)、微流陣列結(jié)構(gòu)等；在

材料的選取方面，選擇合適的基板材料和粘貼材料，用硅樹(shù)脂代替環(huán)氧樹(shù)脂。
2．1 封裝結(jié)構(gòu)
為了解決高功率LED的封裝散熱難題，國(guó)際上開(kāi)發(fā)了多種結(jié)構(gòu)，主要有以下三種類(lèi)型：
(1)硅基倒裝芯片(FCLED)結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的LED采用正裝結(jié)構(gòu)，上面通常涂敷一層環(huán)氧樹(shù)脂，下面采用藍(lán)寶石作為襯底。由于環(huán)氧樹(shù)脂的導(dǎo)熱能力很差，藍(lán)寶石又是熱的不良導(dǎo)體，熱量只能靠芯片下面的引腳散出。因此上下兩面都出現(xiàn)散熱難的問(wèn)題，影響了器件

的性能和可靠性。

3 發(fā)展趨勢(shì)
目前，隨著功率型LED亮度的提升，驅(qū)動(dòng)電流的日益增大，解決散熱問(wèn)題已成為大功率LED產(chǎn)業(yè)化的先決條件。根據(jù)上述LED器件的散熱環(huán)節(jié)，筆者認(rèn)為可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究來(lái)提高大功率LED的散熱性能：
(1)LED產(chǎn)生熱量的多少取決于內(nèi)量子效應(yīng)。在氮化鎵材料的生長(zhǎng)過(guò)程中，應(yīng)改進(jìn)材料結(jié)構(gòu)，優(yōu)化生長(zhǎng)參數(shù)，以獲得高質(zhì)量的外延片，從而提高器件內(nèi)量子效率，從根本上減少熱量的產(chǎn)生，加快芯片結(jié)到外延層的熱傳導(dǎo)；
(2)選擇以鋁基為主的金屬芯印刷電路板(MCPCB)、陶瓷、DBC、復(fù)合金屬基板等導(dǎo)熱性能好的襯底，以加快熱量從外延層向散熱基板散發(fā)。通過(guò)優(yōu)化MCPCB板的熱設(shè)計(jì)、或?qū)⑻沾芍苯咏壎ㄔ诮饘倩迳闲纬山饘倩蜏責(zé)Y(jié)陶瓷

(LTCC—M)基板，可獲得熱導(dǎo)性能好、熱膨脹系數(shù)小的襯底；
(3)為了使襯底上的熱量更迅速地?cái)U(kuò)散到周?chē)h(huán)境，目前通常選用鋁、銅等導(dǎo)熱性能好的金屬材料作為散熱器，再加裝風(fēng)扇和回路熱管等強(qiáng)制制冷。無(wú)論從成本還是外觀的角度來(lái)看，LED照明都不宜采用外部冷卻裝置。因此根

據(jù)能量守恒定律，利用壓電陶瓷作為散熱器，把熱量轉(zhuǎn)化成振動(dòng)方式直接消耗熱能將成為未來(lái)研究的重點(diǎn)之一；

(4)對(duì)于大功率LED器件而言，其總熱阻是PN結(jié)到外界環(huán)境熱路上幾個(gè)熱沉的熱阻之和，其中包括LED本身的內(nèi)部熱沉熱阻、內(nèi)部熱沉到PCB板之間的導(dǎo)熱膠的熱阻、PCB板與外部熱沉之間的導(dǎo)熱膠的熱阻、外部熱沉的熱阻等，傳

熱回路中的每一個(gè)熱沉都會(huì)對(duì)傳熱造成一定的阻礙。因此，筆者經(jīng)過(guò)研究認(rèn)為，減少內(nèi)部熱沉數(shù)量，并采用薄膜工藝將必不可少的接口電極熱沉、絕緣層直接制作在金屬散熱器上，能夠大幅度降低總熱阻，這種技術(shù)有可能成

為今后大功率LED散熱封裝的主流方向。

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