广东科技学院
前言
现有的LED电光的转换效率大约是20%-30%,有70%-80%的能量转换成热能散发出去。如果LED的封装散热效果不好,特别是在大功率LED封装散热的效果不好,这样就会导致LED芯片温度出现急剧上升,导致芯片的每个部位的受力分布不均匀,这样就会对芯片发光效率产生影响。因此,大功率LED封装散热一直都是LED技术产业化的瓶颈问题，在本文中对大功率LED封装技术进行了研究，并且对大功率LED的发展趋势进行了讨论,为大功率LED照明产业发展提供了依据和指导。
1.大功率LED结构
目前,LED芯片结构分为三类:水平结构、倒装结构、垂直结构。
1.1水平结构
水平结构是一种传统的芯片结构,如图1所示,
水平结构的正负电极位于芯片的顶部,同时使用蓝宝石衬底。有源区的光经过P型GaN区和透明电极进行发出,这是一种低成本的结构技术,制作工艺相对成熟。主要缺点是:第一是正负 极位于顶部表面,电流需要穿过N型GaN层,导致电流出现拥挤,局部会出现发热量较大的情况，限制了驱动电流。第二就是蓝宝石材料导热性能比较差、封装的热阻高。
2.大功率LED金属封装工艺
热、光、工艺、结构、电等对大功率LED封装技术都会有着十分重要的影响。这些技术相互干扰，并且能够相互独立。光是大功率LED封装的目标，结构和工艺是封装的方法,热是关键,性质是封装能力的最后体现。目前,金属材料通常用于大功率LED进行封装。具体来说,大功率LED封装工艺主要有低热阻的封装工艺和高取光的封装工艺。
2.1低热阻的封装工艺
目前，大功率LED的光效能力还比较低,有70%到80%的电能转化为热量,同时,LED芯片设备的体积比较小,散热的面积小,所以LED芯片的热效应和散热是封装工艺的重要问题之一。关键就是需要选择良好的封装材料、做好封装设计、芯片分布等等,其中大功率LED封装材料有基板材料和热界面材料等。
大功率的LED的封装热阻是由散热基板热阻、热沉构造电阻、界面热阻等组成的。散热基板将会先吸收LED芯片灯的热量，然后传输到热沉构造里面热阻，最后需要和外界进行热量交换。硅、陶瓷和复合材料都是常用的散热基材,金属材料总用的是铝、铜，陶瓷材料用的是Al2O3、AlN等。日亚化学公司发明的第三代大功率LED采用CuW作为底衬,把1毫米的芯片倒放在CuW的低,降低封装的热阻,增加发光功率。Lamina Ceramics 公司开发的低温共烧陶瓷金属基板,以这种基板为根本进行大功率LED封装技术。这种技术先制作大功率LED芯片和相应的陶瓷基板,LED芯片和衬底材料进行直接焊接。集成了共晶焊层、静态补偿电路和驱动电路等,所以封装结构比较简单,材料传热效率高,这样就能够提高散热性能,从而为大功率LED封装提出了有效的解决方案。
根据大量的研究表明,为了能够获得最佳的冷却效果,必须正确封装接口。改进大功率LED封装工艺的重点就是需要提高冷却功能,减少界面之间的接触热阻。例如,衬底加热变形也会干扰键合和部分散热功能,在室温下接触良好的界面,在高温下可能存在一定的界面间隙。因此,热接口芯片与散热基材之间的选择起着重要的作用。导热胶和导电胶导热系数很低,通常是0.5 - 2.5 W /mK，能够让界面热阻达到一定高度。导电胶和导热胶都是常用的热界面材料。同时,选择低温或共晶焊锡,焊膏作为热界面材料,这样就能够在很大程度上减少界面的热阻。
2.2高取光封装工艺
在大功率LED的工作过程中,辐射复合形成的光子向外进行分散就会产生大量的热量。这个损失的关键是由于:物质吸收和LED芯片内部结构存在一定的缺陷，光子在发射出界面以后会产生反射损失;入射角大于全反射临界角就会形成全反射损失。在处理这个问题的时候,提高取光率,可以在芯片的表面涂抹一层折射率高的透明灌封胶,芯片和空气之间有胶层,这样就能够有效减少光子在界面上的损失。同时,灌封胶还存在机械保护、压力释放等作用。因此,需要灌封胶透光率要高、折射率高、热稳定性较好等。而灌封胶具有耐老化、低吸湿性、低应力的特性,这样就能够提高封装的可靠性。
目前,高折射率的透明玻璃和微晶玻璃将逐渐取代灌封胶,这样就能够进一步提高大功率LED的出光效率。为了能够提高荧光粉的均与度,可以将荧光粉涂在玻璃表面上。同时,还需要减少大功率LED出光方向的光学界面数,这样就能够大大提高出光的效率。
3.大功率LED 散热工艺改进的有效措施
LED的主要散热通道有三个,如图4所示。
即: a. 芯片-真空-透镜-大气;
b. 芯片-金线-封装基板-散热器-大气;
c. 芯片-封装基板-散热器-大气。
大功率LED芯片属于高热流密度的器件,其工作的过程中会产生大量的热量，通过不同的热通道传到大气当中,实现电气互连，并且能够和外界进行热量交换。通道a的封装透镜导热率非常低,其散热量也是非常有限,通道b虽然金线导热系数非常高,但是由于金线直径很小,其散热量也是非常有限的,通过比较可以知道芯片工作过程中,所产生的热量主要是通过c通道进行散热,所以当前研究重点就是封装基板和外部散热器或散热结构。提高散热能力的主要方法就是需要提高基板散热性能,需要设计出散热性能良好的外部散热器或散热结构。
3.1封装基板
封装基板芯片需要更高的热导率和芯片进行匹配的热膨胀系数，还需要有良好的强度和稳定性。目前常用的基板有金属基板,（如铝、铜等),复合基板和陶瓷基板等。
3.1.1金属基印刷电路板
金属基印刷电路板MCPCB(Metal Core PCB)使用一层金属底部材料(铝或铜),底座上附着一层铜箔或金属电路板,为了防止传导,需要在衬底和电路层之间添加高分子材料作为绝缘层,而绝缘层的导热系数比较低,从而会导致整个MCPCB板的导热率也会低;当金属层受到冲压的影响,容易导致绝缘出现变形,从而影响整个产品的散热性能。
MCPCB板改进主要是用高导热系数、高耐热材料来代替有机绝缘层。Eveliina等是基于隔热铝合金系统(IAMS)开发了除了一种新型的基板,根据其研究结果表明,利用陶瓷材料代替高分子绝缘层,相比在同样的条件下使用MCPCB硬化温度7℃，而且其热阻减少了27%,这样就能够承受高温(660℃),并有着和铝相接近的热膨胀系数。
3.1.2低温共烧陶瓷基板
低温共烧陶瓷LTCC(Low-Temperature Co-fired Ceramic)也被称为低温共烧陶瓷,休斯公司在1982年就已经开发出了LTCC技术。这项技术是将陶瓷、玻璃粉末材料按照一定的比例进行混合，还要添加塑化剂、分散剂、粘结剂和其它有机溶剂，用流延法制成生坯,这项技术的工艺流程:粉料制备-浆料配制-流延-切片-通孔成型-通孔填充-印刷-叠层-层压-排胶-烧结-检测。其烧结温度一般会低于900℃,这要比绝大多数金属的熔点要低,使得无源器件埋入到中国。Jae - Kwan Sim等设计了一种新型的基板,该基板在LTCC基板中会垂直交替Al和Al2O3作为散热的通道,根据研究结果表明,采用LTCC-COB封装技术，使得封装面和大气之间的热阻为7.3 kW。
3.2散热器和散热结构
传统大功率LED散热技术主要集中在改善芯片散热的效果,主要依靠单向向下进行放热的方法,意大利米兰理工大学Roberto Faranda 等提出双向散热技术。这项技术可以将传统的LED芯片侵入到聚二甲硅氧烷(PDMS)当中，Faranda设计了两组试验,A组芯片侵入到制冷的液体当中,使用传统的陶瓷板和散热翅片;B组完全将LED芯片浸入到制冷液体中,实验B组的封装结构如图4所示。芯片浸入的越深,其冷却效果也会越好,A组芯片的最低结温可以低至50℃,其和B组比较结果可以表明,侵入制冷液体中的LED芯片比不侵入任何制冷液体的结温降低了13℃。
图4 B 组实验结构图
4.结论
良好的封装结构和散热性能是大功率LED封装工艺中的关键技术,由于大功率LED的性能会受到色度的均匀性、散热条件和稳定性等多种因素的影响,所以需要充分考虑光、电、热、半导体、和材料以及其他综合因素之间的相互平衡,这样才能够使得大功率LED封装工艺能够达到最好的效果。此外,只有通过不断采用新思想、新技术、新材料，才能够使得大功率LED封装工艺得到更好地发展。
参考文献
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基金项目：2014年广东省普通高校青年创新人才项目:大功率LED封装的热效应及工艺改进研究（2014KQNCX245）
论文作者:刘勇求 严其艳
论文发表刊物:《中国电气工程学报》2019年第2期
论文发表时间:2019/4/24
标签：芯片论文; 基板论文; 结构论文; 工艺论文; 技术论文; 材料论文; 界面论文; 《中国电气工程学报》2019年第2期论文;