毕业设计（论文）-LED景观设计研究.doc

led景观设计与研究摘要 城市照明是一门科学，是一种文化，是一项艺术。城市照明体现一个城市的形象，代表一个城市的文化，反映一个城市的科学管理，是一项社会系统工程，管理好城市照明工作，为人民造福，促进城市可持续发展，是各级城市建设主管部门不可推卸的社会责任。城市照明工程包括汽车道路照明、街道照明、交通指示照明等一般基础功能性照明,建筑物整体景观照明设计可以给城市建筑带来夜间生命力,建筑物结构与外观气质美是通过利用不同的照明设计手法表现出来,使现代建筑结构美散发出来。本文主要介绍led作为一种优秀的半导体光电器件，以其体积小、耗电量低、使用寿命长、环保灯优点，有望在未来的 1020 年内成为新一代理想的固态节能照明光源。但是随着led 向高光强、高功率发展，led 的散热问题日渐突出。散热问题影响到 led 的光输出特性和器件的寿命，是大功率 led 封装中的关键问题。本文也将着手解决关于led散热封装的一些问题。关键词:led 夜景 led照明 led散热 封装 应用目录摘要.1第一章 绪论.3 1. 1 引言.3 1. 2 本文研究的目的.3第二章 led用于景观照明的优势.4第三章 led及其封装的概述.5 3. 1 led的简介.5 3. 1. 1 led的结构.5 3. 1. 2 led的发光原理.5 3. 1. 3 led的主要性能参数.6 3. 1. 4 led的发展现状与趋势.10 3. 2 led热效应的影响.11 3. 2. 1 led的热效应对pn结正向偏压的影响.12 3. 2. 2 led的热效应对发光效率的影响.12 3. 2. 3 led的热效应对光通量的影响.13 3. 2. 4 led的热效应对光色的影响.13 3. 2. 5 led的热效应对寿命的影响.13 3. 3 大功率led散热封装的研究现状.14 3. 3. 1 芯片结构.14 3. 3. 2 封装结构.16 3. 3. 3 封装材料.18 3. 4 led封装的发展趋势.18 3. 5 led封装散热性能的表征和测试.19 3. 5. 1 led封装散热性能的表征.19 3. 5. 2 led封装散热性能的测试.203. 6本章小结.21第四章 新型大功率led封装的结构及材料.23 4. 1 新型的大功率led封装.23 4. 1. 1高功率led兼容集成封装模块.23 4. 1. 2自散热式的发光二极管日光灯.24 4. 2 新型led封装的材料选取.25 4. 2. 1散热基板.26 4. 2. 2绝缘层.26 4. 2. 3电极层.27 4.3 本章小结.30第五章 展望.31第一章 绪论1.1 引言 随着国家半导体照明工程的启动，半导体照明技术将进一步改变我们的世界，led灯就是有放光二极管做作为发光源的半导体灯具，是20世纪后期发明并发展起来的新光源，led灯具具有色彩丰富，表现力强，绿色，节能，环保，寿命长、玉英成本低、可靠性高和维护成本低等优点，是目前公认的“绿色能源”。现代城市的美丽夜景，体现着城市的文化品位，需要科学统筹、精巧策划和完美设计，达到人与环境和谐。1.2 本文研究的目的 本文重点研究影响led 灯散热性能的因素及这些因素对散热性能的影响程度，为大功率 led 灯的结构设计、散热器优化提供理论基础。第二章 led用于景观照明的优势 自1996年国家经贸委等部门组织实施：“中国绿色照明工程”以来，绿色照明的概念深入人心。作为第四代新型照明光源，led具有许多不同于其他的电光源的特点，这也使其成为节能环保光源的首选，而在景观照明领域中，还有很多优势： 低压供电：led单体工作电压1.55v之间，无高压环节，工作电流2070ma之间，在公共场合若与人体接触无危险。可靠性高；无汞、钠等有害物质，可回收，无电磁干扰、无有害射线等环保优点。（1） 福建和结构简单：无启动器，镇流器或超高压变压器，不充气，无玻璃外壳，无气体密封问题，耐冲击；对灯具强度和刚度要求很低，体积小巧。led功率一般在0.31w，通过集群方式可以满足各种景观灯具造型的需要。（2） 可控性好：led等有外控和内控两种控制方式，内控无需外接控制器可自行变色，通过微芯片的控制，可以实现渐变、跳使变、色彩闪烁、渐变交替、追逐、扫描等流动效果，还可以通过dmx的控制、组合成屏，实现文字、图案的变化效果。响应时间快（微妙数量级），可反复、频繁亮灭，基本无惰性，不会疲倦。（3） 色彩丰富，柔性化好：由半导体pn结自身产生色彩，纯正，浓厚；按照三基色原理加数字灰度控制技术，可演变出几乎超越大自然存在的任意色彩；led光源的精巧，使led能适应各种几何尺寸和不同空间的装饰照明要求，诸如：点、线、面、球、异形式，乃至任意艺术造型的灯光雕塑。第三章 led及其封装的概述3.1 led的简介 led以其工作电压低、耗电量少、发光效率高、光色纯、全固态、质量轻、体积小、成本低、绿色环保等一系列优点，成为21世纪最具发展前景的高技术领域之一。下面我们将分别介绍led的结构、发光原理、主要参数性能、发展 现状与趋势。3.1.1 led的结构 发光二极管是一种注入电致发光器件，由jil一w族化合物，如gap(磷化嫁)、gaasp(磷砷化嫁)等半导体制成。led的基本结构为一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后外部用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，如图2.1所示5。其核心部分是p型半导体和n型半导体之间的过渡层，称为pn结，通常采用双异质结和量子阱结构。它除了具备普通pn结的i一u特性，即正向导通，反向截止，击穿特性外，在一定的条件下，还具有发光特性【6】。图2.1 led的基本结构3.1.2 led的发光原理 led发光原理可以通过能带结构解释:如图2.2所示，n区导带底附近的大量迁移率很高的电子，p区中存在较多的迁移率较低的空穴。虽然存在大量的空穴和电子，但在常态时，由于pn结的阻挡，空穴和电子不能发生自然复合【7】。当在pn结上加正向电压时，如图2.3所示，在外加电场作用下，pn结的厚度随着载流子浓度的增加而减薄，结势垒降低，大量的电子从高能态的导带跃迁到价带与空穴复合时【7】。电子与空穴的复合将一部分能量以光子的形式转换为光能，或者以声子的形式转换为热能。当在pn结上加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。 图2.2 热平衡条件下pn结的能带图图2.3外加正偏电压下pn结的能带图严格说来，二极管发光分为两种5:第一种是注入的电子与价带空穴的直接复合或者电子先被发光中心捕获后再与空穴复合，发出的光均为可见光。第二种是注入的电子的一部分被非发光中心捕获后再与空穴复合，发出的光为不可见光。led发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光内量子效率越高，发光效率越高。led所发的光波波长入取决于材料的禁带宽度，满足,其中h为普朗克常数，c为真空中的光速。因此，选用禁带宽度不同的半导体材料，就可以制造出发光颜色不同的led，现在常见的有红、黄、绿、蓝发光二极管。3.1.3 led的主要性能参数3.1.3.1 发光效率 发光效率几是led的一个重要的性能指标，用l耐w来表达。发光效率包括内量子效率和外量子效率、提取效率及流明效率。 内量子效率指单位时间内芯片有源区发出光子数与注入芯片电子数之比，与材料的种类、质量有关，目前随着芯片外延技术的发展和mocvd技术的成熟，led芯片的内量子效率均大于98%。外量子效率是指芯片输出光子数与注入芯片电子数之比。提取效率指芯片输出光子数与芯片有源区发出光子数之比。流明效率肠指器件输出光通量与输入器件电功率之比。 内量子效率和外量子效率都反映了led的光电转换效率。一般来说，发光效率是指外量子效率。内量子效率、外量子效率和提取效率之间的关系可以由下面的表达式表示：其中j(x，y）力表示有源层中的电流密度。由于流明效率除了和led的外量子效率有关外，还与人的视觉函数有关，因此，对于发可见光的led而言，其流明效率较量子效率更受关注。led器件流明效率的大小，取决于光谱流明效率和能量损耗相关等几个效率的大小。随着能量损耗相关效率的逐步提升，led器件流明效率也朝着其极限值光谱流明效率逐步提高。在量子效率相同的情况下，绿光具有最高的流明效率。 目前国内外的研制者常常结合光学原理，在芯片的外延结构和工艺方法上进行探索，以制造出发光效率较高的led芯片。目前采用电流扩散层、高低电阻系数层、厚窗口层等方法可以促使电流扩散，提高pn结发光效率，利用布喇格反射层、透明衬底、表面电极吸收。目前的主流结构有采用gap厚窗口层的 ingaaipled芯片结构，采用gap透明衬底的 ingaaipled芯片结构以及采用ito透明电极的 ingaaipled芯片结构。各年份生产的led发光效率如表2.1所示。从表2.1不难看出，led的发光效率提高了1000倍以上。1970一1990年led的发光效率提高得很慢， 1990一2008年则提高得很快。 表2.1不同生产年份led的发光效率比较3.1.3.2 发光强度 发光强度是用来表征led在特定发光方向的单位立体角的发光强弱，通常用法向光强表示，位于法向方向光强最大，其与水平面交角为90。当角度偏离正法向，光强也随之变化。由于led在不同的空间角度光强相差很多，因此发光强度是一个同半角宽度和光强角分布联系密切的特征参数。发光强度的角分布是描述led发光在空间各个方向上光强分布特性，主要取决于封装的工艺(包括支架、模粒头、环氧树脂中添加散射剂与否)，这个参数有着很重要的实际意义，因为直接影响到led显示装置的最小观察角度。对于光通量相同的led，角度越大，对应的发光强度越小，但由于光强角分布的不同，光强和半角宽度二者之间没有一个固定的函数关系。为了获得高指向性的角分布，通常采用led管芯位置离模粒头远些、使用圆锥状(子弹头)的模粒头以及封装的环氧树脂中不添加散射剂灯措施。 国际照明委员会(cie)中规定了led的发光强度测试框图如图2.4所示，其中d表示被测led器件，g表示电流源，pd表示面积为a的光阑dl的光度探测器，dz、d3表示消除杂散光光栏，d表示被测led器件和光阑d，之间的距离。将led和标准照度探测器安装在光具座上，调整被测led使其机械轴通过探测器孔径的中，自。cie规定了探测器光敏面的面积为100mm2，而且对于测量距离d，cie规定了两个标准条件a和b，如表2.2所示。通过分别测量在远场为316mm和近场为100mm的照度i，然后按照公式发光强度e=i/dz，即可求出远场和近场发光强度。表2.2 led发光条件测试标准条件图2.4 cie规定的led发光强度测试框图3.1.3.3 寿命 我们把led的亮度衰减到初始亮度的一半所需时间称为led的寿命。led发光亮度随着长时间工作而出现光强或光亮度衰减现象被称为老化。器件老化程度与外加恒流源的电流密度有关，近似遵从如下规律：其中式中是初始亮度，侧是老化时间为t的亮度，j是外加恒流源的电流密度，r是老化时间常数。 测量led的寿命要花较长时间，通常以以下方法测量:给led通以一电流密度为j的恒流源，先测得，再点燃小时后，测得代入公式求得:;再令b(o=风/2代入公式，即可求得led的寿命。长期以来，对于小功率led而言，普遍寿命为小时。随着瓦级大功率led的研发，国外学者认为以led的光衰减百分比数值作为寿命的依据，如led的光衰减为初始亮度的35%，寿命大于60000小时。3.1.3.4 i一v特性 led的i一v特性也是表征led芯片pn结制备性能主要参数之一。由于核心部分均为pn结，所以led的i一v特性和普通二极管大致一样，也具有非线性、整流性质:单向导通性，即pn结正偏时表现低接触电阻，反偏时表现为高接触电阻，如图2.5所示，其中b点对应于led的正向开启电压气，c点对应led的反向击穿电压k，不同的led对应的开启电压也不同，如gaas为1v，gaasp为 1.2v，gap为 1.sv，gan为2.5v。电流i与外加电压v呈指数关系，符合以下的表达式：其中是led反向饱和电流，k是波尔兹曼常数，t是led所处的工作温度，n是复合因子，当n=1时，扩散电流起支配作用，当n=2时，在深能级进行复合的电流起支配作用。由图2.5可知led的i一v特性曲线可以划分为三段：图2.5 led的i一v特性曲线 正向工作区:对应图2.5中的ab段，当的时候，i随着v成指数形式增加，电流i与电压v的关系可以近似的表示成: 截止区:对应图2.5中的be段，当气，外加电场尚克服不少因载流子扩散而形成势垒电场，因此led处于截止区域。当时，pn结反偏，这时引入另外一个表征i一v特性的关键指标反向漏电流ir，一般定义为当led的反偏电压为-5v时，流过led两端的电流。ir的大小能够反应出led芯片抗静电能力和使用寿命，一般led的反向漏电流都小于 10ua。 反向击穿区:如普通半导体二极管一样，led也存在反向击穿现象，当时，随着v逐渐减小，会出现led电流反向急剧增大，而v减小的变化很小的现象。 3.1.4 led的发展现状与趋势 早在1923年，德国学者o.w.lossew将探针插在作检波器的碳化硅上，加上直流电压后发现了碳化硅的pn结型发光现象。但此后近四十年，对led的研究一直处于停滞状态，直至1962年通用电气实验室的hofonyakn博士等采用gaasp液相外延生长技术制成了第一支实用化的红色led，不久橙色和黄绿色也相继问世。但由于gaasp是间接带隙材料，发光效率很低，当时在驱动电流zoma的条件下，单个led器件的光通量仅有千分之几流明，流明效率不足0.1lm/w。 此后led一直处于日新月异的发展之中，目前已经实现了全彩化和高亮度化，并在在蓝色/紫色led基础上产生的白光led，带来了人类照明史上的又一次飞跃。目前，高亮度白光led在实验室中已经达到 100 lm/w的水平，50lm/w的大功率白光led也进入商业化单个led器件也从起初的几毫瓦一跃达到了 1500w。根据led发光材料体系、主要制作技术、产品性能、应用领域等方面，可以将led的发展历史分为四个阶段: 第一阶段:从1962年到80年代初，受发光强度和流明效率等因素所限，led主要应用于状态指示领域。此时的led多采用间接带隙的gaasp，gap作为pn结，人们采用了液相外延法 (lpe)和氯化物气相外延法(hvpe)生长芯片，并在材料中掺入n，zn，o等杂质元素形成等电子陷阱以提高发光效率，流明效率从起初的0.1lm/w提高到1lm/w左右。此外，通过调整gaasp材料中as和p的比例，使led从单一地发红光扩展到发橙、黄光;通过在gap材料中掺入zn和o元素实现led发红光，掺入n元素实现led发黄绿光。所以通过这段时间的发展，奠定了led的技术和市场基础。 第二阶段:从80年代初到90年代初，led在材料上和结构上都有了很大改进。首先直接带隙的gaaias三元系材料替代了间接带隙的gaasp，gap，由杂质发光变为带间竖直跃迁，大大提高了光电转换效率和流明效率;然后结构上的异质结、双异质结替代了同质结，增加了复合几率，随着发光区材料禁带宽度减小，光被吸收的几率减小，光的出射几率得以提高。经过近十年的发展，led的外量子效率达到8%，流明效率接近10lm/w。但由于gaaias三元系材料的光衰严重，led在户外的应用仍然受到局限。所以这一阶段led的发展主要是发光效率和亮度上的发展。第三阶段:从90年代到上世纪末，led实现了全彩化，超高亮度化，并成功了将其应用领域从状态显示，户内显示扩展到交通信号灯、户外全彩大屏幕显示，并且开始应用于装饰照明、汽车照明、仪器仪表照明等特种照明领域。 首先从发光材料上，人们采用了直接带隙的发红光、黄光的gaallnp四元系材料和发绿光、蓝光的gan材料，通过调节gaallnp材料中ai的组分，使禁带宽度从 1.9ev到2.23ev变化，发光波长从560nm到650nm，实现led从红色到绿色的发光，通过调节亮度也达到了超高亮度，通过调节galnn:al材料中in，al的组分，使禁带宽度在2.oev到6.3ev之间连续变化，理论上可以得到从紫外到红色的所有波长的光。1991年至1992年，日本东芝公司和美国hp公司先后用gaallnp材料研制出红光、橙光和黄光超高亮度led， 1993年日本nichia公司利用gan基材料相继开发出蓝光led和绿光led，从此led实现了全彩化和超高亮度化。 然后从生长技术上，目前最先进的材料生长技术mocvd和mbe替代了原来的lpe技术，mocvd技术能够用于大批量生产，mbe技术因为能够非常精确控制膜层厚度，实现完整晶体单原子层厚度生长，因此这两种技术使得生长各种复杂的芯片结构成为可能，如单量子阱、多量子阱、布拉格发射层。 透明电极、梯形切割等技术大大提高了led的量子效率和流明效率，gaallnp材料制备的led在红光、橙光区的流明效率达到 1001而w，已经超过了白炽灯。 此外，这十年也是白光led迅速发展的十年。半导体材料的发光机理决定了单一led芯片只能发出一种波长的光而不可能发出连续光，因此必须以其它的方式合成白光，通常采用蓝光led与黄光荧光粉组合;将红际/蓝三种芯片组合;紫外led和多种荧光粉组合。19%年日本nichia化工率先在gan基蓝光led芯片的基础上实现白光led，并于 1998年推向市场。这种led是用将发蓝光的gan芯片刺激含ce3+的yag发黄光，通过gan芯片发出的蓝光与荧光粉发出的黄光混合得到。 因此，这一阶段，led实现了全彩化，并从各种单一色彩的光发展到白光，其色彩、发光效率、光强的发展都奠定了其成为新型半导体固态照明光源的基础。 第四阶段:从21世纪初至今，实现了全色彩，高亮度，高效、全固态、环保的led光源，极有可能取代白炽灯、荧光灯、卤素灯成为第四代光源。目前，高亮度白光led在实验室中已经达到 100lm/w的水平，50lm/w的大功率白光led也进入商业化，单个led器件也从起初的几毫瓦一跃达到了1500w。随着led向着高功率led照明器件的方向发展，国内外研究专家普遍认为led应用于照明领域还面临着发光效率和散热两大瓶颈问题。这一阶段的研究工作除了继续提高led发光效率之外，还需要解决led芯片生长与制备、白光led荧光粉的匹配问题、新的器件结构、尤其要解决功率型led的散热问题。3.2 led热效应的影响 发光二极管由iii一iv族化合物，如gap(磷化嫁)、gaasp(磷砷化稼)等半导体制成，其核心为pn结。在外加电场作用下，电子与空穴的辐射复合而发生的电致作用将能量的20%一30%转化为光能(量子效应)，而无辐射复合产生的晶格振荡将其余70%一80%的能量转化为热能。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. 根据美国光电产业协会(oida)的研究报告，只有当单个封装的大功率led器件功率达到7.5w，流明效率超过200lm/w，才有可能替代现有的光源，成为民用照明的主要光源。 对于瓦级（= lw）高功率led而言，芯片尺寸仅为 1mmxlmm2.5mmx2.5mm也就是说芯片的功率密度很大，如果不能及时散热，不仅会对led本身产生影响，而且会给整个产品带来困扰。对于多个白光led阵列式照明系统而言，热量的耗散问题更严重21。以下的部分将对热效应对led产生的影响进行讨论。3.2.1 led的热效应对pn结正向偏压的影响 led额定工作电流一般为几十甚至几百毫安，在这种情况下，由于pn结的欧姆接触引起的压降不容忽略。恒流驱动时，pn结电压与温度具有良好的线性关系，二者可以近似用下式表示:其中为led的pn结结温为t时的正向偏压，为pn结结温为时的正向偏压，p为电压随温度变化系数，与芯片、尺寸等有关，如表2.3所示。对于led而言，由于p0，随着pn结温度的升高，led正向电压减小。表2.3 不同材料芯片的电压温度系数 恒压驱动时，由公式(2一3)可知，随着温度的升高，pn结两边的热平衡少子浓度相应增加，从而导致pn结的反向饱和电流is增大。温度每升高10，is约增加一倍。虽然。“t随温度升高而减小，但不如is随温度升高得快，因此pn结的正向驱动电流随温度的上升而增大，从而促使pn结温度更高，造成恶性循环。 如果pn结温度持续上升，热平衡少子浓度进一步增加。本征激发很快增加，本征激发的载流子浓度远远大于杂质浓度，本征激发占支配地位，pn结的欧姆接触电阻随着温度急剧下降。在极端情况下，杂质半导体就变得与本征半导体相似，pn结也就不存在了。因此，为了保证pn结正常工作，就有一个最高工作温度的限制。通常led的pn结安全工作温度为110。3.2.2 led的热效应对发光效率的影响 对于芯片而言，根据vanroosbrock一shockley关系，可知物体的发射率l(v)为:其中n是折射率，a(v)是吸收系数，为波尔兹曼常数，t为物体的温度，c为光速。对于led而言，频率为v的光子发射率l(v)和本征激发载流子密度的平方依次满足以下关系：其中为单位体积辐射跃迁几率，是上能级被占据的电子态密度，是下能级的空穴态密度。联立式(26)一(28)可以得出：由式(2一9)不难看出，所以当温度t上升时，频率为v的光子辐射跃迁几率随着温度的升高而减小，从而降低了芯片自身的发光效率。根据电子能带图可以知道，pn结的温升降低了辐射复合率，从而降低了led发光效率。此外，除了温升会导致芯片自身的发光效率降低，还伴随着温升，导致芯片的发射波长和荧光粉的激发波长不匹配而降低了荧光粉的激射效率，进一步地降低了白光led的发光效率。因此，一般说来，pn结结温应保持在110才能避免led器件性能下降甚至失效。3.2.3 led的热效应对光通量的影响 led光通量的输出随着pn结温度的升高而单调下降。不同材料系，其输出光通量对于pn结温度的温度系数不同，即使对于同一材料系而言，由于各组分的比例不同，其温度系数也不同。通常gan基的led的光通量与pn结温度的关系为负线性关系，而aigalnp基的led的光通量与pn结温度的关系为负指数关系。gan基led的光通量随pn结温度变化很小，如蓝光led，当pn结结温在-20120之间变化时，光通量的变化不到10%，相反，对于aigalnp基的红光、绿光、蓝光led而言，pn结温度为80时的光通量都只有结温为25时的50%。3.2.4 led的热效应对光色的影响 一般情况下，常温下的光色最为纯正，当pn结温度发生变化时，led的主波长也会产生一定的变化，即led的光色也会发生一定变化。不同光色的led对温度的敏感度不同，绿光led的敏感度最高，蓝光led的敏感度最低，如图2.6所示。对于白光led而言，随着温度的升高，发射光谱会发生红移现象，在不和几两种温度下led的主波长满足经验公式：因此，pn结结温每升高10，主波长向长波长方向移动zn。图2.6 led光色与pn结结温的关系3.2.5 led的热效应对寿命的影响 pn结结温上升时，容易导致芯片、环氧树脂和导线(金线或铝线)等材料物理特性发生变化，从而导致环氧树脂老化，导线接触不良甚至断裂，进而影响led器件的可靠性，甚至失效。我们知道环氧树脂存在一个玻璃转换温度几，如图2.7所示。从温度由低于几向高于几过渡时，环氧树脂的热膨胀系数变化很大，迅速膨胀极有可能导致导线键合点位移增大，造成导线过早疲劳甚至断裂。 图2.7 环氧树脂的热膨胀系数随温度变化的曲线3.3大功率led散热封装的研究现状 20世纪末， lumiledslighting公司封装出世界上第一个瓦级大功率led，使led的功率从几十毫瓦一跃超过 1000毫瓦，单个led器件的光通量也从不到个lm飞跃达到十几个lm。目前，高亮度白光led在实验室中已经达到 100lm/w的水平，501而w的大功率白光led也进入商业化。对于瓦级()lw)高功率led而言，目前的电光转换效率约为20%，剩余的80%转化为热能，而芯片尺寸仅为 1mmxlmm2.5mmx2.5mm，也就是说芯片的功率密度很大。通过2.2节的分析，我们可以看出如何提高大功率led的散热能力，是led器件封装和器件应用设计要解决的核心问题。 散热的主要有传导、对流、辐射三种方式，其中由于芯片的安全工作温度为110，因此led散热以传导和对流为主，器件热辐射效应可以忽略不计。无论是热传导还是对流都需要解决如下三个环节的散热问题:芯片结到外延层、外延层到封装基板、封装基板到冷却装置。这三个环节构成固态照明光源热传导的通道，其中任何薄弱环节失败都会使led光源毁于一旦。针对大功率led的封装散热难题，本节从芯片结构、封装结构、封装材料等方面总结讨论了当前在应对散热问题上业界采取的主要手段和研发的方向。3.3.1 芯片结构3.3.1.1 到装结构 传统的led芯片采用正装结构，上面通常涂敷一层环氧树脂，下面以蓝宝石作为衬底。一方面，由于蓝宝石的导热性较差，有源层产生的热量不能及时地释放，而且蓝宝石衬底会吸收有源区的光线，即使增加金属反射层也无法完全解决吸收的问题;另一方面，由于环氧树脂的导热能力很差，热量只能靠芯片下面的引脚散出。因此前后两方面都造成散热的难题，影响了器件的性能和可靠性。鉴于此，led的倒装焊接技术应运而生。 2001年，lumileds公司研制出了aigalnn功率型倒装芯片结构，如图2.8所示，led芯片通过凸点倒装连接到硅基上。这样大功率led产生的热量不必经由芯片的蓝宝石衬底，而是直接传到热导率更高的硅或陶瓷衬底，再传到金属底座，由于其有源发热区更接近于散热体，可降低内部热沉热阻。这种结构的热阻理论计算最低可达到1.34k/w，实际做到68k/w，出光率也提高了60%左右。但是，热阻是与热沉的厚度成正比的，由于受硅片机械强度与导热性能所限，很难通过减薄硅片来进一步降低内部热沉的热阻，这就制约了其传热性能的进一步提高。图2.8 芯片的正装结构和到状结构的比较3.3.1.2 垂直结构 led芯片有横向和垂直两种基本结构。所谓的横向结构led芯片是指芯片两个电极在外延片的同侧，由于电极在同一侧，电流在n-和p-类型限制层中横向流动不利于电流的扩散以及热量的散发。相反，垂直结构led芯片是指两个电极分布在外延片的异侧，以图形化电极和全部的p型限制层作为第二电极，使得电流几乎全部垂直流过led外延层，极少横向流动的电流，如图2.9所示。目前垂直结构led可以按材料分为gap基led、gan基led和zno基led。图2.10表示垂直结构的led封装在凹槽内的结构简图，其中led的分别用红色和黑色表示)分别与热沉或pcb或电路板上的正、负极(分别用红色和黑色表示)电联接。外界电源与电路板上的“十”和“一”极相联接。图2.9 垂直结构的led芯片图2.10 垂直结构的led封装在凹槽内的结构简介由semileds公司研发的以蓝宝石为衬底的垂直结构gan基led芯片从2005年11月开始进入市场。制造垂直结构led芯片有两种基本方法:剥离生长衬底和不剥离生长衬底。相比横向结构的led芯片，垂直结构的led芯片具有以下明显的优势:(l)所有的制造工艺都是在晶片水平进行的。(2) 抗静电能力高。(3)无需打金线，一方面封装厚度薄，可用于制造超薄型的器件，如背光源，大屏幕显示等;另一方面，良品率和可靠性均得以提高。(4)在封装前进行老化，降低生产成本。(5)可以采用较大直径的通孔/金属填充塞和多个的通孔/金属填充塞进一步提高衬底的散热效率。这一特点对大功率led尤其重要。3.3.2 封装结构3.3.2.1 pcb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led因功率增大所带来的散热问题。采用该结构可以获得良好的散热特性，并大大提高led的输入功率。美国uoe公司的norfux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，如图2.11所示。这pcb结构的缺陷在于，夹层中的pcb板是热的不良导体，它会阻碍热量的传导。据研究，将05队m公司 ooldenoragon系列白光led芯片 lwwssg倒装在一3mmx3mm且水平放置的金属线路板上，led器件和金属线路板之间涂敷189sln一511一8热接口材料，其系统热阻约为66.12k/w。图2.11 led的pcb结构图3.3.2.2 水冷封装结构 典型的水冷封装结构有微泵浦结构和热管结构。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，并发现其散热性能优于散热管和散热片。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，再通过风扇吸热。这种微泵浦结构(如图2.12所示)可以将外部热阻降为 0.292k/w。图2.12 微泵浦结构 有些冷却装置中使用热管来散热，如图2.13所示。利用液体汽化吸热和毛细现象的原理，由热管来带走led芯片表面的热量，热管里的冷却剂被加热后变为气体，在热管中上升，到达上部时，被流动的空气冷却，空气带走热量，冷却剂降温又变为液体，往下流动。如此周而复始。台湾黄秉钧教授采用led热管封装制造多芯片大功率led封装在没有空气对流条件下的热阻仅为0.22k/w。 水冷封装结构虽然散热性能比较优良，但存在结构复杂、成本高、质量重、体积大的缺点，很难大规模生产。图2.13 led的热管结构制冷示意图3.3.2.3 热电制冷结构 热电制冷称作温差电制冷，或半导体制冷，它是利用帕米尔效应的一种制冷方法。led的热电制冷结构如图2.14所示。pn结组成一对热电偶，接上直流电源使pn结正偏后，在结合处就会产生温差和热量的转移。电子在外加电场的作用下，由n区进入p区，同时将热量从n区携带至p区。因此，n区温度下降并且吸热，称为冷端。p区温度上升并且放热，称为热端。为了进一步提高制冷效率，提出采用多级热电制冷，并且集成热沉增加与外界环境的热交换，如图2.15所示。半导体制冷器的优势在于制冷密度大、工艺兼容性好、无噪音、结构紧凑、集成度高，缺点在于生产成本高。 图2.14 led的热电制冷结构图2.15 两级热电制冷期器与热沉集成一体3.3.3 封装材料3.3.3.1 基板 对于大功率的led而言，为了解决芯片材料与散热材料之间因热膨胀失配造成电极引线断裂的问题，可以选用陶瓷，板和板等合金作为散热材料。但这些合金生产成本过高，不利于大规模、低成本生产。选用导热性能好的铝板、铜板作为散热基板材料是当前研究的重点之一。3.3.3.2 固晶胶 选用合适的芯片衬底粘贴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。通常选用导热胶、导电型银浆和锡浆这三种材料进行粘贴。导热胶虽然有较低的硬化温度(lw)大功率led的散热要求。3.5.1.2 多芯片led阵列封装 对于多芯片led封装来说，由于存在多颗led芯片，不宜采用单颗led封装的热阻计算方法。目前针对多热源的情况，通常采用平均热阻法、芯片热阻法和叠加原则法等。 (l)平均热阻法 在多芯片led封装中，如果led芯片均具有相同尺寸及功耗时，热阻，可以表示如下：其中，为led芯片的平均结温，为环境温度，为封装内的总功耗。 (2)芯片热阻法 当多芯片led封装中的芯片各自产生的功耗不同时，可以采用芯片的热阻凡，来表征封装的热阻:其中，为芯片i的功耗为pi时，芯片j的结温。 (3)叠加热阻法 平均热阻法未考虑多芯片led封装中内部各芯片功率的分配和变化问题，芯片热阻法不适用于无功耗的芯片。如要考虑芯片间的热祸合作用，即考虑芯片的功率影响因子ki(i=