大规模LED低热阻封装技术.ppt

大功率ＬＥＤ低热阻封装技术 引言 对于大功率ＬＥＤ 器件而言，由于输入功率的８０％～９０％转变成为热量，且ＬＥＤ芯片面积小。因此，散热成为大功率ＬＥＤ封装必须解决的关键问题。研究表明，ＬＥＤ芯片结温与发光亮度成反比线性下降关系，但与寿命呈指数下降关系下获得较低的工作温度，延长ＬＥＤ使用寿命；或者在同样温度限制范围内，增加输入功率或芯片密度，从而增加ＬＥＤ灯具亮度。 实际上，影响ＬＥＤ器件散热的因素很多主要包括ＬＥＤ芯片结构、热界面材料与散热基板材料性能、封装结构与工艺等。作为大功率ＬＥＤ封装的关键技术之一，降低热阻不仅可以提高出光效率，而且可以有效提高器件的可靠性。 以降低ＬＥＤ封装热阻为出发点，通过对影响ＬＥＤ器件热阻因素的具体分析，对大功率ＬＥＤ散热技术进行了具体探讨，并介绍了国内外必威体育精装版技术进展。 ＬＥＤ器件热阻分析 图１为大功率ＬＥＤ模组的封装结构图，其散热路径主要有三条：①芯片→荧光粉胶层→硅胶透镜→环境；②芯片→金线→电极引脚→环境；③芯片→ＴＩＭ→散热基板→热沉→环境。 其中第１、２条路径消散的热量有限，大部分热量通过第３条路径耗散，这也是ＬＥＤ器件散热的关键所在。 ＬＥＤ热阻是指ＬＥＤ点亮后，热量传导稳定时，芯片耗散１Ｗ 功率，ｐｎ结与环境间的温度差。热阻大表示热量难以传导，器件内部的温度比较高，反之则表示芯片上的热量向外传导快。 ＬＥＤ器件总热阻Ｒｔｏｔａｌ由各环节热阻串联而成，可表示为： Ｒｔｏｔａｌ＝Ｒｃｈｉｐ＋Ｒｃｈｉｐ－ＤＢＣ＋ＲＤＢＣ＋ＲＤＢＣ－ＨＫ ＋ＲＨＫ＋ＲＨＫ－ａｉｒ 研究表明，Ｒｃｈｉｐ－ＤＢＣ占总热阻的绝大部分，是影响总热阻高低的关键，可进一步表示为： Ｒｃｈｉｐ－ＤＢＣ ＝Ｒｃｈｉｐ－ＴＩＭ ＋ＲＴＩＭ ＋ＲＤＢＣ－ＴＩＭ 其中，Ｒｃｈｉｐ－ＴＩＭ为芯片与ＴＩＭ 间接触热阻，ＲＴIＭ为ＴＩＭ 体热阻，ＲＤＢＣ－ＴＩＭ为ＴＩＭ 与ＤＢＣ间接触热阻。大量研究表明，ＬＥＤ器件热阻并不是一个常数，随着环境温度、芯片功率、热沉面积及其布置方向而变化。 影响大功率ＬＥＤ热阻的主要因素 １　芯片结构影响 目前制备ＬＥＤ 芯片有源层的主要材料是ＧａＮ，由于ＧａＮ 薄膜无法在体单晶ＧａＮ 上进行同 质外延，而是依靠ＭＯＣＶＤ工艺在相关的支撑衬底 上生长而成。常用的支撑衬底材料包括蓝宝石（α－ Ａｌ２Ｏ３）、碳化硅（ＳｉＣ）和硅（Ｓｉ） （１）蓝宝石衬底ＩｎＧａＮ芯片主要有正装和倒装（Ｆｌｉｐ　Ｃｈｉｐ）两种形式。 倒装芯片的散热效果要优于正装芯片，原因在于正装结构通过蓝宝石层进行散热，而蓝宝石的热导率较低（２０Ｗ／ｍＫ）；倒装结构则通过金属凸点和硅片散热（硅热导率为１４０Ｗ／ｍＫ），热量传递更有效。 目前倒装焊球普遍改用金凸点，既可提高导热能力（热导率为３１７Ｗ／ｍＫ），又可解决温度适应性问题。但倒装结构芯片也存在一些问题，就是芯片散热主要依靠有限的焊球来实现，对焊球质量和工艺要求较高。 （２）ＳｉＣ具有优良的热学、力学、化学和电学性质，以ＳｉＣ为支撑衬底的ＬＥＤ技术完全被Ｃｒｅｅ公司所垄断。由于热量主要向下传导，上部SiC衬底的高热导率（490W ／ mK）对改进散热效果并不明显。 （３）硅衬底是一种极具发展潜力的衬底技术，原因在于硅材料具有低成本、大面积、高质量、导电导热性能好等优点，且加工技术成熟。在Ｓｉ衬底上生长ＧａＮ 薄膜有利于实现光电子与微电子集成。 影响ＬＥＤ芯片热阻的主要因素为衬底材料与芯片结构。从降低热阻的角度而言，金属衬底芯片要优于其他衬底。对于蓝宝石衬底芯片，倒装结构的散热效果要优于正装结构。此外，为便于固晶贴片，ＬＥＤ芯片衬底底部一般需沉积一层金属层，如：Ａｕ、ＡｕＳｎ或ＡｇＳｎ层，共晶贴片有助于进一步降低热阻。 封装材料影响 改善ＬＥＤ散热的关键在于减少界面热阻，因此选择合适的热界面材料（ＴＩＭ）与散热基板十分重要 （１）热界面材料（ＴＩＭ）。目前，ＬＥＤ封装常用的ＴＩＭ 有导热胶、导电银胶、金属焊膏等。 ａ）导热胶：导热胶的主要成分为环氧树脂或有机硅，作为一种聚合物材料，其本身导热性能较差。为了提高其热导率，通常填充一些高热导率材料如ＳｉＣ、Ａ１Ｎ、Ａ１２Ｏ３、ＳｉＯ２等，填充材料含量及其性能决定了导热胶性能。虽然导热胶工艺简单，但由于其导热性较差（体热导率一般为０．５～２．５Ｗ／ｍＫ），仅限于小功率ＬＥＤ封装应用。 ｂ）导电银胶：将微米和（或）纳米银粉加入环氧树脂中形成的一种复合材料，具有较好的导热、导电和粘结性能。由于银胶固化后的热导率并不高（只有１．５～３０Ｗ／ｍＫ