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大功率LED的封装及其散热基板研究[2]

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5386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 。

  3一种新型低成本MCPCB

  铝表面经过阳极氧化处理,可以具有较高的介电性 ,但是氧化铝膜的热导率通常在0.5 W ·m·K-1以下(不同文献提供的数据差异很大),远低于体烧结的高铝瓷(热导率约25 W ·m·K-1)。等离子微弧氧化(也常称等离子体电解氧化,PEO ,plasma electrolyte oxidation)处理过的铝或铝合金 ,生成的氧化铝膜热导率在2 W·m-1·k-1左右,具有比一般导热树脂和高分子 PCB 高得多的热扩散率。微弧氧化处理生长一层 40μm 厚的氧化铝薄膜 ,可以抗1 000 V 的静电击穿,在介质膜上丝网印刷可焊接的厚膜导电线路带而后烧结 ,即可制成 MCPCB 。这种刚性电路板可以简化 LE D 系统的封装,成本低,散热效率高,性能稳定。为了增强外部电极的可焊接性和引线的可键合性 ,用一层电镀金属作为过渡层。芯片等组件直接焊接在基板上。为考察这种结构的散热性能,用有限元分析软件 ANSYS 8.0 对单芯片LED 器件进行热分析。为减少单元数和分析的时间,更为了直观地观察 ,用对称的方式截取1/4 建立有限元模型 ,分析所用材料和模型的数据如表1 所示。只为考察基板的散热性能,用垂直结构的Cree 倒装芯片,在稳态条件下,热量由 GaN /A1GaN 层传导,故SiC 衬底在模型中省略;一些很薄的高热导电极层或者其他一些功能性薄膜层也一同忽略。

  表1 基于微弧氧化铝基板LED器件的相关数据

   4有限元分析结果

  鉴于热阻是最直接表现模型散热能力的参数,分析中用了1 W功率,外部环境温度设为2O ℃,采用稳态条件来模拟出芯片的温度场分布,根据芯片最高温度来推算封装结构模型的热阻。MAO 膜的厚度分别取 40μm 和 20μm ,分析结果如图4 和图5所示 。

  从图4 可以看出 :(1)在膜厚为40μm 时模型的热阻是11.3 K/W ,膜厚 20 m 时则降为 9.1 K/W ;20μm MAO 膜厚时芯片的温度均匀性要稍好一些 ;(2)在 Al2O3 膜层中的温度梯度相当大 ,而在Al基体中的温度梯度非常小,Al基厚度对散热没有大的影响 。

  热导率相对较低的Al2O3 膜层对散热有很强的阻滞负面作用。如果只是一味地减少膜厚 ,系统的散热性能并不会有太大的改进。目前MAO 膜主要用在耐磨和隔热(作为热障层,热导率越低越好)的场合。用适当的微弧氧化工艺,减少膜层中的非晶含量,成膜后表面处理 ;可 以提高膜层的热导率。如果 Al2O3 膜热导率达到 5W·m-1·K -1,有限元分析显示,热阻在膜厚取 40μm 和 20μm 时模型的热阻值分别为 6.9 K/W 和 5.5 K/W 。

  图4 膜厚取40μm 时的温度场分布等值线图

  图5 膜厚取20μm 时的温度场分布等值线图

  5 讨论

  就以上单芯片 LED 器件模型模拟结果而言 ,其散热性能指标是相当可观的,Al2O3 /Al基板在瓦级功率 LED 上能很好地满足散热的要求。鉴于陶瓷沉积金属芯的基板的大面积制作无论在成本还是在工艺上都较为苛刻,而凭目前 MAO 的水平,可以低成本制作100 mm ×100 mm 以上面积的基板。在普通照明应用中,Al2 O3 /Al 基板方案可以与 M—LT CC 竞争用于多芯片(MCM )封装,后者具有优异的散热性能,但是其工艺流程多、技术难度高,成本远高于Al2O3 /Al基板。

  金属基低温共烧陶瓷型基板因其成本相对很高 ,若在普通照明应用中普及仍需克服成本难题;用体烧结的陶瓷片作为应力匹配层或热扩散层 ,通常还要用导热膏贴上大体积的热沉或者焊接在热沉上,陶瓷片厚度是微弧氧化膜的几十倍 ,加上与热沉的界面热阻,总热阻往往较大,而且成本也是一个不利因素。

  Al2O3 /Al基板的优点很多,总结如下:

  (1)以完全无机的结构组成使得基板可以连续地在高温下工作,减少了因散热不畅而导致的失效问题 ;(2)可以把LED 芯片等组件直接组装在铝合金基板上,省掉了额外贴装的热沉或安装在其底部的金属部件,降低了组装的成本;(3)铝用于热沉时为增强其散热性能,一般都要机加工以获得更多散热面积并对其阳极氧化处理 ,散热面可以在微弧氧化流程中进行;(4)微弧氧化几乎适用于任何复杂形状的铝制品,这为封装的外形设计和后期工艺流程提供了更多的自由度;(5)铝有利于光学反射,可以就此依托铝芯制作反射杯 。

  Al2 O3 /A l基板不仅自身成本低,而且简化了随后的制作工艺从而降低了成本,具有明显的成本优势。当然此方案也存在一些问题,微弧氧化Al2 O3 膜层本身有较高的残余应力,在器件工作状态下,因为各层材料的热膨胀系数差异,以及Al2O3 层的温度的不均衡性都会使应力问题变得复杂,这些可以通过材料处理和合理安排后期封装工艺来解决。

 

编辑:Cedar

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