高功率LED散热技术

高功率LED散热技术研究

钟前刚1，方 亮1,2，何建1，李艳炯1，殷波1

(1. 重庆大学应用物理系，重庆，400044)

( 2 .重庆大学光电技术及系统教育部重点试验室，重庆，400044) 1

摘要：散热制约了高功率LED的进一步发展。提高的散热能力是高功率LED封装和器件应用设计的关键技术问题。本文从高功率LED封装结构、封装材料、以及外部散热方案三方面进行研究。最后，提出了LED封装的趋势和研究方向。 关键字：LED散热 封装结构 散热材料 热管 半导体制冷

Study on High Power LEDs Cooling Technology

ZHONG QianGang1, FANG Liang1,2, HE Jian1 , LI Yan Jiong1,Yin Bo1 (1 Department of Applied Physics, Chongqing University, Chongqing 400044；2 Key laboratory of Optoelectronic Technology and Systems of the Education Ministry of China, Chongqing University, Chongqing 400044)

Abstact: Heat release has resisted more improvement of high power LEDs. How to improve the heat sinking capability is one of the key technical problems for the package and application design of device concerned with high power LEDs.In this paper,Packaging structure,packaging materes, outer packaging scheme has been analysized. At last, the later progresses of Packaging were introduced and pointed out further research direction.

Keywords: LED heat release packaging structure heat sinking materes Heat pipe thermoelectric cooling

0引言

发光二极管（LED）具有效率高、可靠性好、寿命长、功耗低等优点而广泛应用于显示、交通、背光、照明等行业，近年来，尤其在照明行业得到快速发展。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。目前单颗高亮度LED光通量已经达到170lm，而芯片产生 的热量也达到300W/cm2或者更高[1]。为了获得更大的光通量，通常将LED做成阵1本文得到重庆市科技攻关计划(CSTC 2009AC 4187), 重庆大学“211工程”三期创新人才培养计划建设项目S-09109,重庆大学大型仪器设备开放基金资助。

通讯作者:方亮(1968～)，男，教授，博士生导师，主要从事半导体材料与器件和表面处理工艺的研究，Tel：023-65105870；e-mail:fangliangcqu@http://doc.guandang.net

列，而大约80%的电能才转化成热能。研究表明，当芯片温度超过一定值，芯片失效率将呈指数规律上升，温度每上升2℃, 可靠性下降10%。因此，散热技术对LED的可靠性、稳定性至关重要。

改善LED灯具的散热性能，主要有以下几个方面考虑：1.改进LED芯片封装结构，提高从LED芯片到外部散热机构的散热性能；2.开发热导率更高的新材料，降低从LED芯片到环境的热阻；3.设计更优的散热方案，提高LED灯具散热性能。本文从以上三方面进行研究，对大功率LED照明的普及具有重要的理论和工程价值。

1 封装结构研究

1.1硅基倒装芯片结构

2001年，LumiLeds公司研

制出了AIGalnN功率型倒装芯

片结构，如图1。LED芯片通过

凸点倒装连接到硅基上，热量直接传到热导率更高的硅或陶瓷衬底，再传到金属基板，由于芯片更接近散热体，可降低内部热沉热阻，而且也提高了外量子效率。这种结构理论计算可达到

1.34K/W，实际做到6-8K/W。

1.2金属线路板结构

图2.LED陶瓷封装结构

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来解决散热问题。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板作LED器件电极连接布线之用，铝芯夹层作为热沉散热，该结构系统热阻约在60～70K/W之间[2]。Lianqiao

Yang[3]等在将陶瓷封装结构用于GaN基蓝色LED芯片，研究了3种银柱散热热沉对散热性能的影响。如图2，第一种结构热沉为单根银柱，第二种散热结构为16根银柱，第三种散热结构分为两层，上层为16根银柱，下层为9根银柱。热阻测试结果发现：对于三种封装结构，热阻分别为：48.9K/W，61.8K/W,58.5 K/W.

LED

1.3微泵浦结构

2006年ShengLiu等人通过在散热器上安装一个微泵浦系统来解决LED的散热问题(如图4)，在封闭系统中，水在微泵浦的作用下进入LED的底板小槽吸热，然后又回到小的水容器中，通过风扇吸热。这种微泵浦结构可以将外部热阻降为0.192K/W[4]。李如春等采用微通道制冷技术，设计了大功率LED阵列的外部热沉（如图4）；提出采用交错结构的微通道，可以增加热交换系数，减小通道中流体压力的下降，从而提高散热性，同时可以减少直通道结构在制作和安装过程中造成微通道断裂的可能性[5]。

图4.安装有微通道散热器的大功率LED阵列的结构示意图 图3. 微泵浦结构LED封装

总之，针对高功率LED 的封装散热难题，国内外器件的设计者和制造者分别在结构和材料等方面对器件的热系统进行优化设计。随着技术发展，更有效的散热封装工艺将是必然趋势。

2 散热材料研究

为了进一步降低LED芯片到环境的热阻，在封装各个环节，尽可能选择导热率好、性能稳定、环保的材料作为封装材料。目前所涉及到的LED封装材料主要分为粘接材料、基板材料、环氧树脂，而由于传热的要求，最近出现了一种利用液态金属传热的材料。

2.1 粘接材料

选用合适的芯片粘接材料并在批量生产工艺中保证粘贴厚度尽量小，对保 证器件的热导特性是十分重要的。功率型LED芯片可以通过导热胶、导电型银浆和锡浆粘接在器件内部热沉上。导热胶的硬化温度一般低于150℃，甚至可以在室温下固化，但它的热传导系数只有0.7W/ (m·K), 导热特性较差。导电型银浆的硬化温度一般低于200℃, 热传导系数为20 W/ (m·K)左右。有良好的热导特性，同时粘贴强度也较好。锡浆的热传导系数为50 W/ (m·K)左右，是这三种键合材料中热导特性最优的，一般用于金属之间焊接，导电性能也很优越[6]。Hyun-HoKim[7]等研究了导热银浆、固体胶、金锡共晶粘接剂封装LED热阻，其热阻分别为11.5-14.2K/W、4.4-4.6K/W、3.5K/W，可看出，当使用金锡共晶粘接剂时LED的热阻小得多。随着技术的发展 , 已出现了多种新型的芯片封装连接技术，它们从高可靠性、高导电率和良好的热传导性能等方面表现出强大的优势。典型的是用于功率电子封装的纳米银焊低温烧结连接技术[8]。所采用的纳米银层的热传导系数高达238W/ (m·K), 具有良好的导热性，同时结构更简单，热机械性能和导电性也有较大的优势，已成为功率LED 封装连接技术的发展方向。

2.2 散热基板

散热基板在LED灯具中作用是将芯片产生的热量由内部热沉传送到外部散热器，通过散热器散播到环境中。散热基板是解决大功率LED散热问题的有效手段之一。用于大功率 LED的基板材料必须有高热导率、高稳定性、高的电绝缘性能，与芯片相近的热膨胀系数以及平整性和较高的强度。常用的散热基板材料包括硅、金属（如铝、铜）、陶瓷（如Al2O3、AlN、SiC）和复合材料等。硅和

陶瓷材料加工困难，成本高；金属材料的热膨胀系数和比重大，均难以满足高密度封装要求。金属基复合材料（如 …… 此处隐藏：7712字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……