（材料物理与化学专业论文）大功率led模组散热设计及可靠性理论研究.pdf

华南师范大学硕 学位论文 洲irllilr l l ll lp i f li iiiiii y 17 6 8 019 l * n ( 2 5 n 1 5 ) 系列l e d 并联电路电流降额量的概率分布，具有一定的理论意 义和实用价值。 ( 4 ) 多数l e d 相关产品必须使用l e d 阵列，当阵列中部分l e d 失效( 短 路或开路) 时，会影响l e d 阵列的电流分布，导致其它的l e d 导通电流过大 或不足，造成电流分布不均而缩短整个阵列的寿命，与这些l e d 阵列模组相 关的可靠性研究较少，而对此进行研究很有必要和意义。因此文中最后利用蒙 特卡罗方法对阵列化互连l e d 模组的可靠寿命进行了模拟，假设分档后的大 功率白光l e d 的正向电压( v f ) 符合正态分布，额定电流( i v = 3 5 0 m a ) 下的寿命 符合对数正态分布且寿命和电流、温度的关系符合e y i n g 模型，研究了n * n 及m * n ( 6 _ m = n 1 2 ) l e d 阵列的寿命分布。 关键词：半导体制冷；蒙特卡罗模拟；阵列化互连电路；电流降额量；可 靠寿命； i l 华南师范大学硕十学位论文a b s t r a c t t i l er e s e a r c ho nt h e r m a lm a n a g e m e n ta n d r e l i a b i l i t yt h e o r yo fh i g hp o 厂e ：rl e dm o d u l e s a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fl i g h t - e m i t t i n gd i o d e ( l e d ) t e c h n o l o g y , e s p e c i a l l y c o n t i n u e s i m p r o v e m e n t o ft h el u m i n o u s e f f i c i e n c y o fw h i t e h i g h - p o w e rl e da n dc h i pp a c k a g i n gt e c h n o l o g y , m a k i n gh b - l e ds o l i d - s t a t e l i g h t i n ga v a i l a b l e m o r e o v e r , i n t e g r a t i o nt h el e dw i t ht h es o l a rb a t t e r i e sa n d o t h e re n e r g y - s a v i n gp o w e rw i l lm a k ei tb e c o m et h ea l ls o l i d s t a t el i g h ts o u r c e ， a r o u s i n gt h ei n t e n s ea t t e n t i o nb yt h es e m i c o n d u c t o ri n d u s t r ya n dt h el i g h t i n g i n d u s t r y t om e e tt h eh i g hf l u xr e q u i r e m e n t so fg e n e r a ll i g h t i n g ，m a n yr e s e a r c h e r c o m m i t t et ot h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ep o w e rl e da n di n t e g r a t e d p a c k a g e ，a n dh a v em a d eal o to fs t u d i e so fc h i p s c a l e ( w a f e r - l e v e l ) p a c k a g e t h e t e c h n o l o g yo fm u l t i - c h i pl e di n t e g r a t i o np a c k a g i n gi sp o s s i b l et op r o d u c e p o w e r 、b r i g h t n e s s 、s i z ea n da p p e a r a n c es i m i l a rt ot r a d i t i o n a ll i g h ts o u r c e s ， f a c i l i t a t i n gt h ew i d eu s eo fs e m i c o n d u c t o rl i g h ts o u r c e s ，a tt h e s a l n et i m e ， s a v i n gt h ep a c k a g i n gm a t e r i a l sa n dr e d u c i n gt h ec o s to fp r o d u c t i o n ，i ti s a p r o m i s i n gl i g h t i n g i nt h i sp a p e r , t h es y s t e mp a c k a g eo fm u l t i c h i pl e da r r a yi s d i s c u s s e da n dr e s e a r c h ，f o c u s i n go nt h et h e r m a l 、e l e c t r i c a lc o n n e c t i o n s 、 r e l i a b i l i t ya n do t h e ri s s u e s ，a n dt h es p e c i f i cc o n t e n t sa l ea sf o l l o w s ： ( 1 ) d e s c r i b e sr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h et h ep a c k a g eo fh i g h p o w e rl e d ， f o c u s i n go nt h er e s e a r c ho fh i g h - p o w e rl e do fc o bm u l t i c h i pp a c k a g i n g t e c h n o l o g y 、t h e r m a lm a n a g e m e n t 、r e l i a b i l i t yt h e o r y ( 2 ) w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et h e r m o e l e c t r i cm a t e r i a l sa n dt e c h n o l o g y , 勰 w e l la st h ed i s c o v e r i n go ft h eh i g h - e f f i c i e n c yt h e r m o e l e c t r i cm a t e r i a l s ，u s i n g t h e r m o e l e c t r i cc o o l i n gt os o l v et h eh e a td i s s i p a t i o no fl e dl i g h t i n gs y s t e mw i l l 1 n 华南师范大学硕上学位论文 a b s t r a c t h a v eah ig hp r a c t i c a lv a l u e b a s e do n t h ep r i n c i p l eo ft h e r m o e l e c t r i cr e f r i g e r a t i o n ， t h eb e a td i s s i p a t i o no fh i g h - p o w e rl e d ss y s t e mc o o l i n gb ys e m i c o n d u c t o r r e f r i g e r a t o ri ss i m u l a t e d t h er e l a t i o n s h i pa m o n g t h el e d j u n c t i o nt e m p e r a t u r e 、 s e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t o rw o r ks t a t e 、h e a tr e s i s t a n c eo fb e a ts i n ki si n v e s t i g a t e d i th a ss o m es i g n i f i c a n c et ot h et h e r m a ld e s i g no fh i g hp o w e rl e dm o d u l es y s t e m ( 3 ) m u l t i c h i pl e dp a c k a g eu s i n ga r r a y - b a s e di n t e r c o n n e c t i o nc i r c u i ta l o n g 诵t l l c u r r e n td e r a t i n gc a l lb e t t e rm a x i m i z et h ea d v a n t a g e so fm u l t i - c h i pp a c k a g i n g t e c h n o l o g ya n de n h a n c et h er e l i a b i l i t yo fl e da r r a ym o d u l e s ，邪w e l la ss e r v i c e l i f e t h e r eh a v eb e e nn os t u d i e sa s s o c i a t e dw i t l ls p e c i f i cc h a r a c t e r i s t i c so fc u r r e n t d e r a t i n g ，t h e r e f o r e ，b a s e do nm o n t e - c a r l os i m u l a t i o n , t h e c u r r e n t d e r a t i n g c h a r a c t e r i s t i c s 、丽t hl e dp a r a l l e lc i r c u i ti ss t u d i e d e s p e c i a l l yt h ep r o b a b i l i t y d i s t r i b u t i o no fc u r r e n td e r a t i n go fas e r i e s ( ( 25ns15 ) ) o fl e d p a r a l l e lc i r c u i t ， g i v e nt h ef o r w a r dv o l t a g ed r o pv a l u e so fl e da f t e rb i na g r e ew i t hg a u s s i a n d i s t r i b u t i o n ( 4 ) t h em a j o r i t yo fl e d - r e l a t e dp r o d u c t sa l lu s el e da r r a y i ti su s u a l l yp o s s i b l e t h a ts o m ep a r to ft h el e da r r a yf a i l u r e ( s h o r tc i r c u i to ro p e nc i r c u i t ) ，a f f e c t i n gt h e l e d a r r a yc u r r e n td i s t r i b u t i o n , l e a d i n gt ot h ec u r r e n to fo t h e rl e d t u r n - o ni st o o l a r g eo rl e s s ，r e s u l t i n gi nu n e v e nc u r r e n td i s t r i b u t i o nt os h o r t e nt h el i f e t i m eo ft h e e n t i r el e da r r a y t h e r eh a v eb e e nf e ws t u d i e sa s s o c i a t e dw i t ht h e s e ，w h i l et h e r e s e a r c h e sa l er e q u i r e da n do fg r e a tv a l u e b a s e do l lm o n t e - c a r l os i m u l a t i o n ， l i f e t i m ed i s t r i b u t i o n so na r r a y - b a s e di n t e r c o n n e c to fl e dm o d u l ea r es t u d i e d a s s u m i n gt h a tt h ef o r w a r dv o l t a g ed r o pv a l u e so fp o w e rw h i t el e da g r e ew i t l l n o r m a ld i s t r i b u t i o na f t e rb i n ，t h em e a nl i f e t i m ea t3 5 0 m ac o n s i s t 、i t l ll o g n o r m a l d i s t r i b u t i o n ，a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nw o r kc u r r e n t ，t e m p e r a t u r ea n dl i f e t i m e i nl i n e 、访t he y i n gm o d e l k e yw o r d s ：s e m i c o n d u c t o rr e f r i g e r a t i o n ；m o n t e c a r l os i m u l a t i o n ；a r r a y b a s e d i n t e r c o n n e c t i o n ；c u r r e n td e r a t i n g ；r e l i a b i l i t yl i f e t i m e i v 华南师范火学硕士学位论文 目录 目录 第一章绪论1 1 1引言1 1 2 大功率l e d 封装工艺及发展趋势1 1 3 c o b 多芯片封装技术5 1 4 大功率l e d 热学问题研究进展8 1 4 1 结温对l e d 器件的影响8 1 4 2 l e d 热学问题的研究综述8 1 5 l e d 可靠性研究综述11 1 6本文的主要研究内容13 第二章半导体制冷的大功率l e d 模组散热模拟1 4 2 1引言1 4 2 2l e d 散热方式15 2 2 1 被动式散热1 5 2 2 2 主动式散热1 5 2 3模拟模型及原理16 2 3 1 大功率白光l e d 模组结构1 6 2 3 2 模拟原理1 7 2 4 模拟结果及讨论1 9 2 5本章小结2 1 v 华南师范大学硕：卜学位论文目录 第三章蒙特卡罗模拟l e d 并联电路电流降额特性2 2 3 1引言2 2 3 2 模拟方法及模型建立。2 2 3 2 1l e d 阵列化互连2 3 3 2 2 蒙特卡罗模拟方法2 4 3 2 3l e d 伏安特性模型2 6 3 3 模拟结果及讨论2 7 3 4 本章小结3 0 第四章蒙特卡罗模拟阵列化互连l e d 模组寿命分布一3 l 4 1引言3l 4 2 理论及模型3 2 4 2 1l e d 阵列化互连3 2 4 2 2 l e d 伏安特性模型3 3 4 2 3l e d 阵列失效模式3 3 4 2 4 基本假定3 4 4 2 5 蒙特卡罗模拟方法3 5 4 3 模拟结果及讨论3 5 4 4 本章小结4 0 结论：4 2 参考文献4 4 致谢5l 作者攻读学位期间发表的学术论文目录5 2 v i 华南师范人学硕一l ：学位论文第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 发光二极管( l e d ) 是一种半导体固体发光器件，与传统光源相比，具有潜 在光效高、无汞环保、寿命长、体积小等特点( ，已经广泛应用于各种指示、 显示、装饰、背光源、城市夜景等特殊照明领域。随着l e d 芯片发光效率的 提高以及大功率高亮度l e d ( h b l e d ) 芯片的制备成功，使得白光h b l e d 固态照明成为现实，特别是它与太阳能电池、电磁感应电池联合使用后【2 】， 更是一种极具竞争力的绿色光源，有望在未来的1 0 - - 2 0 年内成为新一代理想 的固态节能照明光源1 3 】，为人类照明史谱写新的篇章。根据美国光电产业协 会( o i d a ) 的研究报告【4 】，当单个封装l e d 器件的输入功率达到2 7 w ，输出 光通量达到2 0 0 l m ，流明效率达到7 5 l m w 以上时，可以与白炽灯在民用照 明领域竞争；当单个封装l e d 器件的输入功率达到6 7 w ，输出光通量达到 1 0 0 0 l m ，流明效率达到1 5 0 l 删w 以上时，可以替代荧光灯在民用照明领域 的应用；如果要完全替代现有的各种照明光源，则单个封装l e d 的输入功率、 输出光通量、流明效率必须达到7 5 w 、1 5 0 0 l m 、2 0 0 l m w 以上。目前c 1 e e 公司白光大功率l e d 光效在实验室已实现2 0 8 1 m w i 5 1 ，n i c h i a 已产品化的 n s p w r 7 0 c s k 1 白光小功率l e d 发光效率己达到1 5 0 1 i l l w 1 6 】，结果让世人 振奋。另外在l e d 产业领域，也有类似微电子领域的摩尔定律【4 1 ，r o l a n dh a i t z 预测，l e d 的价格每十年将为原来的十分之一，性能则提高二十倍，这个预 测后来被业界称为h a i t z 定律，如图1 1 所示。这个预测给未来的l e d 照明 产业预示了无限美好的前景，特别在目前全球能源短缺的忧虑再度升高的背 景下，l e d 照明光源给人们更多的期待。 半导体照明是2 1 世纪最引人瞩目的新技术领域一个焦点，涉及到材料、器 件结构、光学设计、封装工艺、电源电路、灯具选用、照明效果与视觉匹配 等多技术领圳7 1 。随着材料科学与半导体技术的进步，l e d 各方面性能迅速 提高，有着广阔的市场前景，l e d 照明产业的发展将影响到一个国家和地区 的能源战略和环保战略，因此受到各个国家、地区的重视和大力支持【4 1 。日 1 华南师范大学顾 学位论文 第一章绪论 本、美国、欧盟、韩国等近年来相继推出国家半导体照明计划，并投入巨资 进行研发。日本“2 1 世纪光计划”、美国“下一代照明计划”、欧盟“彩虹计 划 、韩国“g a n 半导体发光计划”等政府计划纷纷启动。 蜀 _ 0 1 嘣、- 1 亡1 1 *1 日哟 嗌 嘲 1 e + 0 2 o1 e + 0 1_ 量 v 1 。e 珈 斐1 鼬1 蹿 一 咧 1 e - - 0 2 溅涌蛋，器件( 1 m ) 成本流明( s i r a ) 万 “k 一一 一弧、人 - 1 0 倍，添一 夕2 0 倍十年 l it ilii il 华南师范大学硕卜学位论文 第一章绪论 源近似的光源，方便了半导体照明光源的推广使用，同时节约了封装材料， 降低了生产成本，是一种很有前景的照明光源【1 0 , 1 2 , 1 4 , 1 6 1 。但是多芯片l e d 阵列 的系统封装还面临着散热、电气连接、可靠性等问题，因此本文主要针对这 些问题做了些探讨和研究。 1 2 大功率l e d 封装工艺及发展趋势 l e d 封装的主要目的是实现l e d 芯片和外界电路的电气互连与机械接 触，保护l e d 免受机械、热、潮湿等外部冲击，实现光学方面的要求，提高 出光效率，满足芯片散热要求，提高其使用性能和可靠性【1 7 1 。l e d 封装设计 主要涉及光学、热学、电学和机械( 结构) 等方面，这些因素彼此相互独立， 又相互影响，其中光是l e d 封装的目的，热是关键，电和机械是手段，而性 能是具体体现。 当前高效率，大功率是l e d 的主要发展方向之一，各国及研究机构均致 力于高性能l e d 芯片的研究：表面粗化、倒金字塔结构、透明衬底技术、优 化电极几何形状、分布布拉格反射层、激光衬底剥离技术、微结构和光子晶 体技术等。大功率l e d 封装由于结构和工艺复杂，并直接影响到l e d 的使 用性能和寿命，一直是近年来的研究热点，特别是照明级大功率l e d 散热封 装更是研究热点中的热点，很多大学、研究所和公司也都对l e d 封装技术进 行了研究并取得成果【1 8 2 0 】：大面积芯片倒装结构和共晶焊接技术、t h i n f i l m 技术、金属基板和陶瓷基板技术、荧光粉保形涂层( c o n f o r m a lc o a t i n g ) 技术、 光予散射萃取工艺( s c a t t e r e dp h o t o ne x t r a c t i o nm e t h o d ，s p e ) 、耐u v 和日光 辐射及抗潮的封装树脂研究、光学优化设计等。 随着大功率l e d 芯片性能的迅速提高，功率型l e d 的封装技术不断改 进以适应形势的发展，如图1 2 所示：从开始的引线框架式封装到多芯片阵 列组装，再到如今的3 d 阵列式封装，其输入功率不断提高，而封装热阻显 著降低。为了推动l e d 在普通照明领域的发展，迸一步改善l e d 封装的热 管理将是关键之一，另外芯片设计制造与封装工艺的有机融合也非常有利于 产品性价比的提升f 2 1 2 2 】；随着表面贴装技术( s m t ) 在工业上的大规模应用， 采用透明型封装材料和功率型m o s f e t 封装平台将是l e d 封装发展的一个 3 华南师范人学硕十学位论文 第一章绪论 方向，功能集成( 比如驱动电路) 也将进一步的推动l e d 封装技术的发展【9 】。 应用于其它学科中的技术也可能在未来l e d 照明光源的封装中找到舞台，如 新兴的流体自组装( f l u i d i cs e l f - a s s e m b l y ，f s a ) 技术等。 ，- k 、 蟹 、， 弹 嚣； 蟛 磊 1 9 9 92 0 0 1 2 0 0 32 0 0 52 0 0 6 图1 2 功率型l e d 的封装发展趋势 为了进一步提高单个元件的光通量并降低封装成本，近年来多芯片封装 技术获得了很大的发展。把半导体封装工艺中的s i p c o b ( s y s t e mi n p a c k a g i n g c h i po nb o a r d ，系统封装板上芯片) 技术运用到l e d 芯片的封装 上，即直接将l e d 芯片封装在散热基板上，可使大功率l e d 器件稳定且可 靠的工作，又能做到封装结构简单紧凑。 如何让l e d 保持长时间的持续可靠工作是目前大功率l e d 器件封装和 系统封装的关键技术。随着芯片技术的日益成熟；单个l e d 芯片的输入功率 可以进一步提高到3 w 、5 w 甚至更高，芯片本身承受的电流密度以及热流密 度急剧提高，因此防止l e d 的热量累积变得越来越重要。如果不能有效的耗 散这些热量，随之而来的热效应将严重影响到整个l e d 发光器件的可靠性以 及寿命；若多个大功率l e d 芯片密集排列构成白光照明系统，热量的耗散问 题更为严重，如何提高封装散热能力是现阶段照明级大功率l e d 函待解决的 关键技术之一。在封装过程中l e d 芯片、金线、封装树脂、透镜、以及芯片 热沉等各个环节，散热问题都必须很好地重视。其突破点就是芯片衬底的结 构、材料以及外部集成的冷却模块技术。摸索合适的结构和材料、制备工艺 4 华南师范入学硕士学位论文 第一章绪论 和参数来设计和制备低接口热阻、高散热性能及低机械应力的封装结构对于 未来大功率l e d 封装的散热性能的提高和发展具有非常现实的意义。 1 3c o b 多芯片封装技术 随着器件功率的不断增大，基于功率型l e d 的半导体照明最大的应用将 是普通照明领域。作为光源，为了满足日常照明的要求，光通量一般需要超 过1 0 0 0l m 。为了满足高光通量的要求，一是致力于单晶大功率l e d 芯片研 究，通过增大芯片尺寸来加大工作电流，使得l e d 输出功率提高，发光亮度 得以大幅度地提高；二是通过封装多个小功率或者1 w 的大功率晶片组成更 大功率的l e d 多晶片组件。不过一味加大芯片面积，反而会出现l e d 内部 的光吸收比率增加、外部量子效率降低等不利的现象。从图1 3 可知，随着 芯片二维尺寸的增加，芯片本身的发光效率下降的很快【2 3 1 。另一方面随着封 装技术的进步，多芯片集成封装l e d 模块具有亮度高、结构紧凑等特点，且 灯具的设计不受单管l e d 排列数量和排布方式的限制，有可能制作出功率、 亮度和外观尺寸与传统光源近似的光源，方便了半导体照明光源的推广，同 时节约了封装材料，降低了生产成本，是一种很有前景的照明光源【l o 1 6 1 。 随着多芯片封装技术的发展，半导体封装工艺中的多芯片组件技术在 l e d 芯片封装上得到了广泛的应用，即s i p ( s y s t e mi np a c k a g i n g ) c o b ( c h i p - o n b o a r d ) 技术：是一种直接把芯片或者完成倒装焊的芯片焊接在金属散热 基板上的一种技术。c o b 封装是裸芯片贴装技术之一，半导体芯片直接贴装 在印刷电路板上，芯片与基板的电气连接采用引线键合的方法实现，并用树 脂覆盖以确保可靠性。与其它封装技术相比，c o b 技术价格低廉( 仅为同芯 片的l 3 左右) 、节约空间、工艺成熟，c o b 封装技术可以实现多芯片的系 统封装( s i p ) ；有效的c o b 封装设计，可以尽可能减少从芯片到外部环境 之间的接触层，从而减少热阻，降低封装材料热失配的问题。配合外部散热 器，可以让大功率l e d 芯片在较低温度下保持长时间的持续高亮度发光，保 证l e d 光源的可靠性和稳定性。实际上，c o b 封装技术和高热导率复合材 料的结合，其优势更加体现在多芯片封装上，形成多芯片模块组件，有利于 提高l e d 单位封装组件的散热性能，同时增加单位组件的发光亮度u 】。 5 华南师范大学硕 ：学位论文 第一章绪论 1 0 0 e 9 0 蚺 。 勘 褥8 0 较 两 恕7 0 峙 盈 1 0 1 s2 o 芯片面积l m m 2 图1 3 芯片尺寸与其量子效率的关系 多芯片l e d 系统以其组装密度高、亮度高、色彩全等特点，得到了迅速 发展。但随着系统中芯片密度的提高和功率的增大，一方面单位体积内的功 耗不断增加，封装内的发热量急剧上升；而另一方面，体积的缩小导致散热 面积相对减小，热阻增加。根据a r r h e n i u s 定律，组件的失效率与结温成指数 关系【2 4 】。因此，多芯片l e d 阵列封装的热场分析成为其可靠性设计的关键 技术之一。 l e d 多芯片阵列发光模块中芯片的分布除了要考虑散热、光学、机械结 构等参数之外，还需要考虑电学设计。l e d 器件的电气连接问题主要考虑 l e d 芯片驱动电压是采用并联方式还是串联形方式，这个问题引起了大家的 普遍关注【2 5 之7 】。驱动方式的选择主要考虑两个方面：驱动l e d 芯片所需要的 电压和电源所能提供的电压。采用串联方式时，要求l e d 驱动器输出较高的 电压，当l e d 的一致性差别较大时，分配在不同l e d 两端的电压不同，通 过每颗l e d 的电流相同，l e d 的亮度一致，但系统稳定性差，可能由于一 个芯片的短路而导致整个l e d 器件的报废，故障影响面大。并联设计基于低 驱动电压，因此无需带电感的升压电路；还具有低电磁干扰、低噪声和高效 率等特点，容错性较强；不过由于l e d 芯片之间的特性参数存在一定的差别， 通过每只l e d 的电流不一致，l e d 的亮度也不同。在需要使用较多l e d 的 产品中，如果将所有的l e d 串联，将需要l e d 驱动器输出较高的电压；如 6 华南师范大学硕士学位论文第一章绪论 果将所有的l e d 并联，则需要l e d 驱动器输出较大的电流；将所有的l e d 串联或并联，不仅限制着l e d 的使用量，而且并联l e d 负载电流大，驱动 器的成本也会增加，因此宜采用串联并联组合形式。 l e d 阵列化互连的电路原理图如图l _ 4 所示，即将l e d 分组并联，再将 每组串联起来，每一个l e d 都是电路连接阵列中的一个节点，其中任何一只 l e d 开路或短路，都不会造成发光组件整体失效。在大功率l e d 多芯片集 成封装中若采用传统的串并联方式，不仅串联的多个电阻将会占用很大的空 间，阻碍了模块向更小尺寸化发展，而且将会在电阻上消耗太多的功率。因 此在多芯片集成封装l e d 中采用阵列化互连电路结合电流降额使用，能更大 限度地发挥多芯片封装技术的优点，并提高l e d 阵列模组的可靠性。 图1 - 4l e d 阵列化互连电路原理图 由于生产工艺的离散性，同一生产批次的l e d 器件其正向压降v f 也存 在差异，因此在l e d 阵列化互连电路中并联的各只l e d 所承载的电流是不均 匀的，正向压降v f 小的l e d 承载的电流大于v f 大的，若各组并联的l e d 按 额定电流设计，当v f 差异很大时，会出现有些l e d 的工作电流远远大于其 额定电流，这样将会降低这些l e d 的可靠性和使用寿命，进而降低整个阵列 模组的可靠性。因此在实际设计中在同一个阵列中尽量使用v f 一致性好的 l e d ，另外还需要对阵列进行电流降额使用，来提高其可靠性和使用寿命。 7 华南师范人学硕士学位论文第一章绪论 。 1 4 大功率l e d 热学向题研究进展 1 4 1 结温对l e d 器件的影响 功率型l e d 的光电转换效率不高，大约只有2 0 至3 0 的电能转为光输 出，其余均转换成为热能，巨大的热流密度使l e d 存在严重的温升效应。结 温升高会导致非辐射复合增加，使得结温继续升高，造成恶性循环。而随着 l e d 结温升高，器件本身会发生很多变化，包括器件的漏电流增加、半导体 材料的缺陷增长、金属电极的电迁移、封装用环氧树脂材料的黄化等，进而 引起l e d 电学、光度与色度参数的变化：发光效率降低、正向压降下降、发 光波长偏移、色温质量下降、荧光粉响应波长失配、荧光粉转化效率下降、 器件寿命缩短【2 8 , 2 9 1 。 一般的l e d 器件的结点温度需要控制在1 2 0 0 c 以下。最近几年l u m i l e d s 、 c r e e 、n i c h i a 、o s r a m 等推出的g a n 基大功率器件结点温度高于这一温度， 但是一般都不超过1 5 0 0 c 。因此将发光二极管应用于日常照明需要克服的一 个关键问题就是散热的问题，不管是从器件层面还是系统层面，都需要考虑 散热的需求。 1 4 2l e d 热学问题的研究综述 随着l e d 向高光强、高功率发展，l e d 的散热问题日渐突出。一方面功 率越做越大，l e d 封装结构也越来越复杂；另一方面l e d 的体积越来越小， 导致功率密度愈来愈大。对于瓦级( w ) h b l e d 而言，芯片尺寸仅为 l m m * l m m 2 5 m m * 2 5 m m ，芯片的功率密度很大，热流密度达到1 0 2 w c m 2 。 图1 5 为各种热源产生的热流密度对比【3 们，从图中可以看出热源的功率耗散总 量以及单位面积的热流密度都在增加，h b l e d 的热流密度接近i m t 的 n u c l e a r 在l m i l e 处爆炸时的热流密度，可见h b l e d 封装中的热管理时多么 重要，特别是对高密度的多芯片阵列封装模块。研究表明：当温度超过一定 值，器件的失效率将呈指数规律攀升，元件温度每上升2 ，可靠性下降1 0 ； 随着p n 结的温升，白光l e d 器件的发光波长将发生偏移：在1 0 0 。c 的温度 下，波长可以红移4 - , 9 n m ，从而导致铭铝石榴石( y a g ) 荧光粉吸收率下降， 8 华南师范人学硕十学位论文 笼一章绪论 总的发光强度会减少；在室温附近，温度每升高l ，l e d 的发光强度会相 应地减少1 左右，当器件从环境温度上升至1 2 0 。c 时，光衰高达3 5 。若多 个大功率l e d 芯片密集排列构成白光照明系统，热量的耗散问题更为严重， 因此如何提高封装散热能力是现阶段照明级大功率l e d 函待解决的关键技 术之一。 l i ，i l o ， 露、 争 裂1 0 1 襁 羹咿 1 0 4 l 驴 射 、。l 蟠t太阳表面罗。 l 。呐抱；r 口太阳加热 ，o 体基 ， 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 ( _ 0 赫度l k 图1 5 热管理的发展前景 为了有效解决l e d 的散热问题，国内外不少研究者开展了相关热问题的 研究：z h o n g 等【3 l 】用数值模拟了倒装结构的热应力，采用合适的环氧材料可 以提高倒装结构的寿命；c h e n g 等人采用硅加工的温度制冷器来冷却高功率 l e d ，测试结果表明，该冷却方法能有效的降低l e d 器件的热阻f 3 2 】；吴慧颖 等人利用有限元法对1 w 倒装大功率白光l e d 的空温度场分布进行了模拟计 算【3 3 1 ，并研究了芯片尺寸与结区温度的关系；c h d s t e n s e n 等人 3 4 1 模拟了多量 子阱结构l e d 封装结构热分布，如果提高基板热导率，封装的器件热阻可以 降到5k w 以下；俞彬海等人分析了芯片沉底粘结材料对大功率l e d 热阻 的影响机制【3 5 】；z h a n g 等人【3 6 】采用多壁面的碳纳米管和碳黑作为热界面材料 来封装高亮度l e d ，测试结果表明该措施能有效降低l e d 器件的热阻；马 泽涛等人【3 7 】建立了基于热传导和对流条件下高功率l e d 的有元数值模型， 并比较芯片热沉所采用的材料对整个l e d 封装结构散热性能的影响，最后还 给出了c o b 封装技术的有限元分析结果；h u 等【3 8 g a n 基l e d 封装结构分 层的热与应力进行了分析，芯片和导引结构分层导致器件热阻变大；曹阳等 3 9 1 对大功率l e d 封装结构进行了热分析，影响大功率器件热阻的两个重要 9 华南师范大学硕 学位论文 第章绪论 因素为粘结剂的热导率以及基板的厚度和表面积；m a - i k 等人1 4 0 】论述了关 于大功率l e d 器件级和系统级封装过程中的热问题，采用有限元法着重比较 不同芯片材料以及键合技术对l e d 散热性能的影响；a c h r i s t e n s e n 等人【4 1 】 研究大功率l e d 阵列模块封装中的各种热问题，分析不同功率、间距、热对 流系数对整个l e d 系统的散热影响。 由于h b l e d 发热密度激增，再加上多芯片阵列中芯片数量增多，大功 率芯片相对集中，导致单位组件面积的发热量增大；且阵列中含有多个热源， 使得热设计、热分析、以及热模拟变得十分复杂。如果产生热量不能有效耗 散出去，将导致阵列模块内外温度梯度增大，从而非常容易在多芯片阵列的 内部形成局部过热，或局部热应力过大使芯片发生破裂、或者损坏。为确保 芯片工作可靠性，必须让阵列模块内部的温度限制在允许值以下。因此 h b l e d 封装器件所需要的冷却技术，已不是单靠散热片或风扇所能提供的， 一些新的技术也相应出现了1 4 2 】，比如微喷技术、微通道冷却技术、热管技术、 热电冷却技术、纳米尺度传热技术、超声制冷技术、超导制冷技术、以及将 多种制冷方法有效集成在一个系统之中等。 s h e u 等人【4 3 】采用微热管( m i n i a t u r eh e a tp i p e ) 对l e d 进行冷却，结果 表明在输入功率为1 5 9w 时，采用微型热管比采用铜杆冷却温度降低了 1 9 ，输出的功率增加了4 3 。台湾大学机械系新能源中心的黄秉钧等】报 道了用回路热管作为l e d 路灯散热装置。c h e n g t 3 2 】等采用硅热电制冷片对 l e d 单管进行冷却，实验表明采用这种方法能有效的对l e d 单管进行冷却。 m a 等人【4 5 l 提出了一种应用于l e d 阵列的槽道冷却模块，他们在l e d 阵列 下连接由m m c ( m e t a lm e t r i cc o m p o s i t e ) 或者s i 材料制做的平板，然后在 平板内通过微加工技术，形成微槽道，液体在通道中流过，达到散热的目的。 罗小兵等人m 报道了利用微喷冷却高功率l e d 阵列的实验结果，并对冷却 系统进行了数值优化工作。l a i 等人【4 7 】报道了l e d 汽车前照灯液冷方案。 热电制冷又称作温差电制冷，或半导体制冷，它是利用热电效应( 即帕 米尔效应) 的一种制冷方法【4 羽。半导体制冷器的优势在于制冷密度大、与i c 工艺兼容、无运动部件、没有磨损、无噪音、稳定可靠、并且结构紧凑、可 以提高集成度等优点，随着半导体制冷材料和工艺技术发展，高热电效率材 1 0 华南师范大学硕。f ：学位论文第一章绪论 料的发现，利用半导体制冷方式来解决l e d 照明系统的散热问题，将会具有 很高的实用价值【4 9 1 。利用这种温差制冷，配合风冷水冷对高温端进行降温， 能得到优秀的散热效果【3 2 】。为了更进一步提高热电制冷效率，可以采用多级 热电制冷【5 0 】，并且集成热沉增加与外界环境的热交换。 1 5 l e d 可靠性研究综述 可靠性的定义：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能 力。该定义明确指出评价一个产品的可靠性与规定的条件和规定的工作时间 有关，也与规定产品应完成的功能有关。在同一工作条件下，产品处于良好 工作状态的时间越长，就说明该产品的可靠性越高。半导体器件可靠性的研 究内容主要包括两个方面：一是评价可靠性水平( 如可靠性数学、可靠性试 验、可靠性评估等) ；二是如何提高可靠性( 如失效分析、失效物理、工艺监 控、可靠性设计等) 。 对于发光二极管来说器件失效的判据包括光输出下降、正向电压上升、 漏电流增大到规定的值；开路、短路；无光输出等。大功率l e d 可靠性指工 作环境下大功率l e d 处于良好工作的时间的长短( a l j 为大功率l e d 的使用寿 命) ，目前国内外生产大功率l e d 的公司都以光通量的衰减作为器件可靠性 的依据。影响l e d 光功率衰退的主要是电流和环境温度，电子器件的失效机 理基本上是物理过程或化学过程，而温度可改变许多物理和化学反应的速度。 虽然这几年半导体技术得到了很大的发展，但是l e d 的寿命跟理论计算 值1 0 万个小时还是有很大差距，其可靠性的研究引起了广泛的关注。由于 l e d 输入的电能中有相当多的能量转化为热