大功率LED散熱封裝技術研究
蘇達 王德苗
(浙江大學信息與電子工程系 杭州 310027)
摘 要
如何提高散熱能力是大功率LED實現產業化亟待解決的關鍵技術之一。本文詳細分析了國內外大功率LED散熱封裝技術的研究現狀，總結了其發展趨勢并提出減少內部熱沉可能是今后的發展方向。
關鍵詞 大功率LED 散熱 封裝
引言
LED誕生至今，已經實現了全彩化和高亮度化，并在藍色／紫色LED基礎上產生了白光LED，帶來了人類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、長壽命、環保、省電等一系列優點，已廣泛應
用在汽車照明、裝飾照明、手機閃光燈、大中尺寸(NB、LCD．'IV等)顯示屏光源模塊等領域，成為21世紀最具發展前景的高技術產業之一。
發光二極管是一種注入電致發光器件，由Ⅲ ～Ⅳ族化合物制成。在外加電場作用下，電子與空穴的輻射復合而發生的電致作用將一部分能量轉化為光能
(量子效應)，而無輻射復合產生的晶格振蕩將其余的能量轉化為熱能。目前，高亮度白光LED在實驗室中已經達到100 lⅡl，w 的水平，50 lm／W 的大功率白光LED也已步入產業化，單個LED器件也從起初的幾
毫瓦一躍達到了1500W。對于瓦級(≥lW)大功率LED而言，目前的電光轉換效率約為15％ ，剩余的85％轉化為熱能，而芯片尺寸僅為1mm×1mm～2．5mm×2．5mm，也就是說芯片的功率密度很大。與傳統的照明器件不同，白光
LED的發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實現產業化亟待解決的關鍵技術之一。
1 熱效應對大功率LED的影響
對于單個LED而言，如果熱量集中在尺寸很小的芯片內而不能有效散出，則會導致芯片溫度升高，引起熱應力的非均勻分布、芯片發光效率和熒光粉激射效率下降。研究表明：當溫度超過一定值，器件的失效率將呈指數規律攀
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結結溫在110cI：以下。隨著PN結的溫升，白光LED器件的發光波長將發生紅移。統計資料表明：在100cI：的溫度下，波長可以紅移4～9nm，
從而導致YAG熒光粉吸收率下降，總的發光強度會減少，白光色度變差。在室溫附近，溫度每升高1 cI：，LED的發光強度會相應地減少1％左右。當多個LED密集排列組成白光照明系統時，熱量的耗散問題更嚴重。因此解決散
熱問題已成為功率型LED應用的先決條件 。 resheji.com
2 國內外的研究進展
針對高功率LED的封裝散熱難題，國內外器件的設計者和制造者分別在結構和材料等方面對器件的散熱系統進行優化設計。例如，在封裝結構上，采用大面積芯片倒裝結構、金屬線路板結構、導熱槽結構、微流陣列結構等；在
材料的選取方面，選擇合適的基板材料和粘貼材料，用硅樹脂代替環氧樹脂。
2．1 封裝結構
為了解決高功率LED的封裝散熱難題，國際上開發了多種結構，主要有以下三種類型：
(1)硅基倒裝芯片(FCLED)結構
傳統的LED采用正裝結構，上面通常涂敷一層環氧樹脂，下面采用藍寶石作為襯底。由于環氧樹脂的導熱能力很差，藍寶石又是熱的不良導體，熱量只能靠芯片下面的引腳散出。因此上下兩面都出現散熱難的問題，影響了器件
的性能和可靠性。
3 發展趨勢
目前，隨著功率型LED亮度的提升，驅動電流的日益增大，解決散熱問題已成為大功率LED產業化的先決條件。根據上述LED器件的散熱環節，筆者認為可以從以下幾個方面進行研究來提高大功率LED的散熱性能：
(1)LED產生熱量的多少取決于內量子效應。在氮化鎵材料的生長過程中，應改進材料結構，優化生長參數，以獲得高質量的外延片，從而提高器件內量子效率，從根本上減少熱量的產生，加快芯片結到外延層的熱傳導；
(2)選擇以鋁基為主的金屬芯印刷電路板(MCPCB)、陶瓷、DBC、復合金屬基板等導熱性能好的襯底，以加快熱量從外延層向散熱基板散發。通過優化MCPCB板的熱設計、或將陶瓷直接綁定在金屬基板上形成金屬基低溫燒結陶瓷
(LTCC—M)基板，可獲得熱導性能好、熱膨脹系數小的襯底；
(3)為了使襯底上的熱量更迅速地擴散到周圍環境，目前通常選用鋁、銅等導熱性能好的金屬材料作為散熱器，再加裝風扇和回路熱管等強制制冷。無論從成本還是外觀的角度來看，LED照明都不宜采用外部冷卻裝置。因此根
據能量守恒定律，利用壓電陶瓷作為散熱器，把熱量轉化成振動方式直接消耗熱能將成為未來研究的重點之一；
(4)對于大功率LED器件而言，其總熱阻是PN結到外界環境熱路上幾個熱沉的熱阻之和，其中包括LED本身的內部熱沉熱阻、內部熱沉到PCB板之間的導熱膠的熱阻、PCB板與外部熱沉之間的導熱膠的熱阻、外部熱沉的熱阻等，傳
熱回路中的每一個熱沉都會對傳熱造成一定的阻礙。因此，筆者經過研究認為，減少內部熱沉數量，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，這種技術有可能成
為今后大功率LED散熱封裝的主流方向。
參考文獻
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