大功率led封装散热技术

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1、大功率LED封装散热技术 高工LED技术中心   发布时间：2008-12-0222:09:45    关键词：  --摘要：如何提高大功率发光二极管(LitEmittingDiode,简称LED)的散热能力,是LED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LED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：电力半导体器件；发光二极管；光电元件；散热；封装1引言发光二极管(LED)诞生至今．已经实现了全彩化和高亮度化,并在蓝光LED和

2、紫光LED的基础上开发了白光LED．它为人类照明史又带来了一次飞跃。与自炽灯和荧光灯相比,LED以其体积小,全固态,长寿命,环保,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NB和LCD．TV等显示屏光源模块中。已经成为2l世纪最具发展前景的高技术领域之一LED是一种注入电致发光器件．由Ⅲ～Ⅳ族化合物,如磷化镓(GaP)、磷砷化镓(GaAsP)等半导体制成在~I-DN电场作用下．电子与空穴的辐射复合而发生的电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

3、荡将其余的能量转化为热能。目前,高亮度白光LED在实验室中已经达到1001m/W的水平,501m/w的大功率白光LED也已进入商业化,单个LED器件也从起初的几毫瓦一跃达到了1．5kW。对大于1W级的大功率LED而言,目前的电光转换效率约为15％,剩余的85％转化为热能．而芯片尺寸仅为1mm×1mm～2．5mm~2．5mm．意即芯片的功率密度很大与传统的照明器件不同,白光LED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LED实现产业化亟待解决的关键技术难题之

4、一l】1。2热效应对大功率LED的影响对于单个LED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l0％l2】。为了保证器件的寿命,一般要求pn结的结温在110℃以下。随着pn结的温升．白光LED器件的发光波长将发生红移据统计资料表明．在100℃的温度下．波长可以红移4～9nm．从而导致YAG荧光粉吸收率下降,总的发光强度会

5、减少,白光色度变差。在室温附近,温度每升高l℃．LED的发光强度会相应减少l％左右．当器件从环境温度上升到l20℃时．亮度下降多达35％。当多个LED密集排列组成白光照明系统时．热量的耗散问题更严重。因此解决散热问题已成为功率型LED应用的先决条件。3国内外的研究进展针对高功率LED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、导热槽结构、微流阵列结构等；在材料的选取方面,选择合适的基板

6、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LED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(FCLED)结构传统的LED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。2001年．LumiLeds公司研制出了A1GaInN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LED芯片通过凸点倒装连接到

7、硅基上。这样．大功率LED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[21。这种结构的热阻理论计算最低可达到1．34K/W．实际已作到6~8K/W,出光率也提高了60％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

8、几毫米厚的铜电极的PCB板上,或者将芯片封装在金属夹芯的PCB板上．然后再封装到散热片上,以解决LED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LED的输入功率【3】。美国UOE公司的Norlux系列LED．将已封装的产品组装在带有铝夹层的金属芯PCB板上．其中PCB板用作对LED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PCB板是热的不良导体．它会阻碍热量的传导。据研究,将OS