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大功率LED的封装及其散热基板研究[1]

2014-4-11  来源:(1.中国科学院西安光学精密机械研究所2.中国科学院研究生院3.深圳大学光电子学研究所)  作者:李华平 柴广跃 彭文达 牛憨笨  有5340人阅读

从解决大功率发光二极管散热和材料热膨胀系数匹配的角度,介绍了几种典型的封装结构及金属芯线路板(MCPCB)的性能,并简要分析了其散热原理。最后介绍了等离子微弧氧化(MAO)工艺制的铝芯金属线路板,低成本、低热阻、性能稳定、便于工和进行多样结构的封装是其突出优点。对采用 MAO 工艺的MCPCB 基板封装的瓦级单芯片LED 进行了热场的有限元模 拟,结果显示其热阻约为1O K /W ;当微弧氧化膜热导率由2 W·m-1·K-1 升高到 5 W·m-1·K-1 时,热阻将降至 6K/W 。

  1 引言

  与普通光源比,大功率LED 具有省电、寿命长及反应时间快等优点,在城市景观、LCD 背光板、交通标志、汽车尾灯照明和广告招牌等方面有着广泛的应用。LED芯片的有源区面积小 ,工作电流大 ,造成LED 芯片的工作温度高。结温上升导致 LED输出光功率减小 ,加速芯片蜕化,器件寿命缩短。随结温的上升 LED 的波长还将发生“红移”(橙红色和琥珀色的 LED 色漂移的视觉效应更显著)。如果要考虑到实际应用中对色漂移的不良影响,热设计也要对最高结温进行限制。

  芯片的热量通过内热通路传导至热沉,热沉通过空气对流或向外辐射散热。在大功率 LED 散热通道中 ,金属芯线路板(MCPCB )是连接内外散热通路的关键环节,它至少有以下功能:(1)L ED 芯片的散热通道;(2)LED 芯片的电气连接 ;(3)LED 芯片的物理支撑。

  大功率 LED 的基板材料必须有高的电绝缘性能,高稳定性,高热导率,与芯片相近的热膨胀系数以及平整性和较高的强度。少数金属或合金能满足高导热率低膨胀系数的要求,为保障电绝缘性,需要涂覆高分子聚合物介质膜,热导率通常很低,而且高温下的性能会变差。在满足性能和可靠性的前提下,陶瓷体材料 、陶瓷膜或者半导体材料 ,从材料自身或者是综合成本考虑 ,用做半导体照明的L D 基板材料均有不尽人意之处。Lumileds 的 Luxeon 系列大功率 LED[3] 在同类 LED 中最先采用热通路和电通路分离的方案 ,极大地减少了热 阻,可以把更多的热量从管芯释放出去。Lumileds 的 LED 设计方案具有开创性的意义 。本 文解析了Lumileds LED封装的设计方法,分析了一般大功率 LED 封装的结构和散热原理 ,最后介绍了一 种用于这类 LED 的新型、低成本MCPCB 封装材料。

  2 大功率LED 的结构及其散热原理

  Lumileds 的功率型 LED 为倒装模式,以硅载体为热沉。通过集成在硅热沉中的齐纳二极管提供静电保护的同时,这种设计也能降低热膨胀系数不匹配的冲击 (硅与蓝宝石衬底有相 近的热膨胀系数)。此外,硅材质与焊球还起着应力吸收器的作用,以进一步疏缓热膨胀效应。以硅载体粘着焊球使 LED 芯片紧密地与硅载体接合在一起 ,再经由打线连接到导线框。光滑的硅表面上有高反射性的铝金属层。LED 的焊接面一般覆金 ,以提供最佳的热传导 ,以及芯片与导线框、铜散热器的接合强度。图1 是Lumileds 的 Luxeon 系列 LED 的封装 结构示意图。

  所用硅片很薄,这样可以发挥最大的热传导效能,让 LED 的高热很快地经由此传到散热器上。在各种Luxeon 产品中,一级热沉(Slug )(厚约1.5m m )通过环氧胶粘贴在 MCPCB 上。MCPCB 保障电的互连,也是与第二级热沉的连接界面。在没有第二级铝热沉的情况下 ,LE D 也能在室温下工作,但是MCPCB 很容易达到7O ℃。多级次的热沉虽然增加了一点热阻,但使散热面大大扩展了(内通道内的热沉往往称为热扩散层 ,在三个维度方向都应有较高的热导率),从而使对流散热和辐射散热大大增强 ,进而整个系统的散热能力得到改善。

  图1 Lumileds LED 封装结构示意图

  限制最高结温的另一个方面是硅载体与芯片间因为膨胀系数差异而导致的最大允许热应力限制。在多数情况下,大功率 LED 芯片通过 submount 或heat spreader过渡,安装在MCPC B 上 ,而 MCPCB紧贴在铝热沉上 ,两者光滑表面常用螺钉或弹簧加力紧固,并用导热胶粘贴以尽量减小界面热阻。各大半导体照明公司,如 Lum ileds、N ichia、C ree、Osram 、UOE 、丰田合成、Lamina 等 ,都采用了类似结构的金属芯基板。UOE 采用了钢芯覆搪瓷(porcelain /steel core)。OSRAM 于 2003 年推出单芯片“ Golden D ragon”系列L ED ,其结构特点是热沉与金属线路板直接接触 ,具有很好的散热性能 ,而输入功率可达 1 W ;芯片用红外或者回流焊焊接在铜合金热扩散层 (heat spreader)上 ,热扩散层再焊接在铝 芯的PC B 板上。铝芯表面介电层为热增强聚合物,热导率可达 1.3W/(m ·K )。图2是Golden Dragon 的封装结构示意图 。

  Lamina Ceramicsl 开发的金属低温共烧陶瓷(LTCC-M)的多层印刷电路板制造技术(如图 3 所示),实现了LED封装导热性能的突破。多层陶瓷通过低温烧结在铜钼铜 (CuMoCu)金属上,共烧收缩率缩小到了大约0.1%,远远低于标准LTCC 和HTCC 工艺的12.7%~ 15% 。钼铜复合材料具有与芯片相近的热膨胀系数,而陶瓷层具有很高的介电性,LED芯片可以直接安装到金属板层上。金属板层导热性约为 17OW/(m·℃),LT CC的导热性为 2~5 W/(m ·℃)。可以在陶瓷层中加入电容和电阻,在应用设计上带来很大的便利。优良的导热性能使 Lamina Ceramics 可以高密度地排列多个LED发光点 ,从而在小面积内得到异常高的光强。2005 年 2 月在约 30 cm² 的阵列上 ,用 1120 个 LED(RGB),1400W的电驱动 ,获得了28000 lm 的光通量。

  图2 Golden Dragon 结构示意图

  图3 Lamina LED 的封装结构示意图

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