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高功率LED封装基板技术[2]

2014-5-6  来源:新世纪LED网  有4870人阅读

长久以来显示应用一直是 led 发光组件主要诉求,并不要求 LED 高散热性,因此 LED 大多直接封装于传统树脂系基板,然而 2000 年以后随着 LED 高辉度化与高效率化发展,尤其是蓝光 LED组件的发光效率获得大幅改善,液晶、家电、汽车等业者也开始积极检讨 LED 的适用性。

  4 陶瓷系封装基板

  如上所述白光 LED 的发热随着投入电力强度的增加持续上升,LED 芯片的温升会造成光输出降低,因此 LED 的封装结构与使用材料的检讨非常重要。

  以往 LED 使用低热传导率树脂封装,被视为是影响散热特性的原因之一,因此最近几年逐渐改用高热传导陶瓷,或是设有金属板的树脂封装结构。LED 芯片高功率化常用手法分别是:1)LED 芯片大型化;2)改善 LED 芯片的发光效率;3)采用高取光效率的封装;4)大电流化。

  虽然提高电流发光量会呈比例增加,不过 LED 芯片的发热量也会随着上升。图12 是LED投入电流与放射照度量测结果,由图可知在高输入领域放射照度呈现饱和与衰减现象,这种现象主要是LED 芯片发热所造成,因此LED 芯片高功率化时首先必需解决散热问题。

  LED 的封装除了保护内部 LED 芯片之外,还兼具 LED 芯片与外部作电气连接、散热等功能。

  LED 的封装要求 LED 芯片产生的光线可以高效率取至外部,因此封装必需具备高强度、高绝缘性、高热传导性与高反射性,令人感到意外的是陶瓷几乎网罗上述所有特性。

  表2是陶瓷的主要材料物性一览,除此之外陶瓷耐热性与耐光线劣化性也比树脂优秀。

  表2 陶瓷的主要材料物性一览

  传统高散热封装是将 LED 芯片设置在金属基板上周围再包覆树脂,然而这种封装方式的金属热膨胀系数与 LED 芯片差异非常大,当温度变化非常大或是封装作业不当时极易产生热歪斜(thermal strain;热剪应力),进而引发芯片瑕疵或是发光效率降低。

  未来 LED 芯片面临大型化发展时,热歪斜问题势必变成无法忽视的困扰,有关这点具备接近LED芯片的热膨胀系数的陶瓷,可说是热歪斜对策非常有利的材料。

  图13 是高功率LED 陶瓷封装的外观;图14 是高功率LED 陶瓷封装的基本结构,图14(b)的反射罩电镀银膜。它可以提高光照射率,图14(c)的陶瓷反射罩则与陶瓷基板呈一体结构。

图13 高功率LED陶瓷封装的外观

图14 高功率LED陶瓷封装结构

  5 散热设计

  图15 表示LED 内部理想性热流扩散模式,图15 右图的实线表示封装内部P~Q 之间高热流扩散分布非常平坦,由于热流扩散至封装整体均匀流至封装基板,其结果使得LED 芯片正下方的温度大幅降低。

  图15 LED 内部的理想性热流扩散

  图16是以封装材的热传导率表示热扩散性的差异,亦即图15表示正常状态时的温度分布,与单位面积单位时间流动的热流束分布特性。

  图16 热传导差异对封装内部的温度分布与热流束的影响

  使用高热传导材时,封装内部的温差会变小,此时热流不会呈局部性集中,LED 芯片整体产生的热流呈放射状流至封装内部各角落,换言之高热传导材料可以提高 LED 封装内部的热扩散性。

  LED 封装用陶瓷材料分成氧化铝与氮化铝,氧化铝的热传导率是环氧树脂的55 倍,氮化铝则是环氧树脂的55 倍400倍,因此目前高功率LED 封装用基板大多使用热传导率为 200W/mK的铝质,或是热传导率为 400W/mK 的铜质金属封装基板。

  半导体 IC 芯片的接合剂分别使用环氧系接合剂、玻璃、焊锡、金共晶合金等材料。LED芯片用接合剂除了上述高热传导性之外,基于接合时降低热应力等观点,还要求低温接合与低杨氏系数等等,符合这些条件的接合剂分别是环氧系接合剂充填银的环氧树脂,与金共晶合金系的Au-20%Sn。

  接合剂的包覆面积与 LED 芯片的面积几乎相同,因此无法期待水平方向的热扩散,只能寄望于垂直方向的高热传导性。

  图17 是热传导差异对封装内部的温度分布,与热流束特性的模拟分析结果,封装基板使用氮化铝。根据仿真分析结果显示 LED 接合部的温差,热传导性非常优秀的 Au-Sn 比低散热性银充填环氧树脂接合剂更优秀。

  图17 LED晶片封装内部的温差内容

  有关LED 封装基板的散热设计,大致分成:LED 芯片至框体的热传导、框体至外部的热传达两大部位。热传导的改善几乎完全仰赖材料的进化,一般认为随着 LED 芯片大型化、大电流化、高功率化的发展,未来会加速金属与陶瓷封装取代传统树脂封装方式 。此外 LED 芯片接合部是妨害散热的原因之一,因此薄接合技术成为今后改善的课题。

  提高LED 高热排放至外部的热传达特性,以往大多使用冷却风扇与热交换器,由于噪音与设置空间等诸多限制,实际上包含消费者、下游系统应用厂商在内,都不希望使用强制性散热组件,这意味着非强制散热设计必需大幅增加框体与外部接触的面积,同时提高封装基板与框体的散热性。

  具体对策例如高热传导铜层表面涂布“利用远红外线促进热放射的挠曲散热薄膜”等等,根据实验结果证实使用该挠曲散热薄膜的发热体散热效果,几乎与面积接近散热薄膜的冷却风扇相同,如果将挠曲散热薄膜黏贴在封装基板、框体,或是将涂抹层直接涂布在封装基板、框体,理论上还可以提高散热性。

  有关高功率 LED 的封装结构,要求能够支持 LED 芯片磊晶接合的微细布线技术;有关材质的发展,虽然氮化铝已经高热传导化,不过高热传导与反射率的互动关系却成为另一个棘手问题,一般认为未来若能提高热传导率低于氮化铝的氧化铝的反射率,对高功率 LED 的封装材料具有正面帮助。

  6 结语

  以上介绍 LED 封装用金属系基板的发展动向,与陶瓷系封装基板的散热设计技术。随着 LED 大型化、大电流化、高功率化的发展,事实上单靠封装基板单体并无法达成预期的散热效,必需配合封装基板周边的散热材料,以及 LED封装结构才能进行有效的散热。因此未来必需持续开发周边相关技术,LED 才能够实现次世代光源的终极目标。

 

编辑:Cedar

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