（物理电子学专业论文）大功率led封装散热性能的若干问题研究.pdf

浙江大学硕l ：学位论文摘要 摘要 l e d 以其体积小，全固态，长寿命，环保，省电等一系列优点，已经在汽 车照明、装饰照明、手机闪光灯、大中尺寸( n b 、l c d t v 等) 显示屏光源模 块得到广泛应用，成为2 l 世纪最具发展前景的高技术领域之一。美国、欧盟、 日本等众多国家纷纷出台计划，投入巨资加速其发展，以占领能源战略制高点。 现有l e d 的电光转换效率约为2 0 3 0 ，而7 0 8 0 的能量转化为无法借 助辐射释放的热能。如果封装散热不良，会使芯片温度升高，引起应力分布不均、 芯片发光效率降低、荧光粉转换效率下降。当温度超过一定值，器件的失效率将 呈指数规律攀升。因此，大功率l e d 封装的散热难题是当前产业化的瓶颈技术 之一，大功率白光l e d 封装的散热性能更是国内外的研究热点。 本文针对目前国内外封装存在的问题，首先提出了一种新的大功率l e d 封 装结构，然后对该结构及其材料进行了理论、实验分析和工艺研究，再对采用该 结构的5 w 单芯片白光l e d 封装和5 w 多芯片白光l e d 阵列封装进行了仿真优 化设计，最后设计并制备了热阻为8 0 5 k w 的5 w 单芯片白光l e d 封装。论文 取得的成果及创新点主要有： ( 1 ) 针对目前大功率l e d 封装结构普遍存在散热性能不良，制备工艺复杂， 成本高等缺点，通过理论分析和实验研究，我们提出了一种高功率l e d 兼容集 成封装模块和一种自散热式发光二极管目光灯，并己申请相关专利两项。通过将 绝缘层和电极层以薄膜形式直接制备在铝基板上，减少了大功率l e d 封装的内 部热沉数量、减薄内部热沉厚度。不仅提高了大功率l e d 封装的散热性能，而 且制备工艺简单、成本低、无污染，符合r o l l s 标准，为解决大功率l e d 封装 的散热难题提供了一种新的结构。 ( 2 ) 通过理论分析和比较组成散热基板、绝缘层和电极层的各种材料性能， 设计并选用铝作为基板材料、氧化铝作为绝缘层材料、过渡层( t i ) 阻挡层似i c u ) 电极层( a 曲的梯度膜系和i t o 薄膜两种作为电极层的结构。 ( 3 ) 采用a n s y s 软件对5 w 单芯片白光l e d 封装和5 w 多芯片白光l e d 阵列封装进行三维热力学仿真优化设计，研究发现5 w 单芯片白光l e d 封装的 热阻为5 8 k w ，当环境温度为5 0 时，芯片最高的结温为7 3 1 9 7 ，可以满足 浙江大学硕士学位论文摘要 大功率l e d 封装的散热要求；5 w 多芯片白光l e d 阵列封装的热阻为3 9 8 6 k w ， 当环境温度为5 0 时，芯片最高的结温为6 5 9 9 4 ( 2 ，可以满足大功率l e d 封装 的散热要求；优化结构参数后采用厚度为1 1l n m 的铝基板，空气对流系数为1 0 w ( m 2 k ) 时，5 w 多芯片白光l e d 阵列封装的热阻为2 5 6 3k w 。该封装结 构无论是应用于单芯片还是多芯片阵列封装，都可以满足l e d 的散热要求。 ( 4 ) 采用硬质硫酸阳极氧化法制备了厚度为3 0 2 u m ，介电强度为3 2 5 v u m 氧化锚绝缘层，通过理论研究和测试分析了绝缘层镀膜后短路的机理并指出了改 进方法。 ( 5 ) 研究了电极层的材料和制备工艺，采用直流磁控溅射法制备出 t i ( 1 5 0 n m ) n i c u ( 4 0 0 n m ) a g ( 2 0 0 n m ) 组成的梯度膜系作为电极层，其电阻率为3 1 0 。6q c m ，平均抗拉强度为4 2 2 m p a ，膜层表面缺陷较少，致密性好，焊接 性能好，满足电极层的需求。 ( 6 ) 提出了在氧化铝绝缘层上采用射频磁控直流溅射法制备i t o 薄膜作为 电极层的过程中引入紫外在线辐照来降低i t o 薄膜电阻率的新工艺，并申请了 相关专利一项。实验表明在紫外辐照条件下制备的样品的电阻率、表面形貌和生 长取向明显优于未经紫外辐照的样品，在线紫外辐照下最低方阻为5q 口，电阻 率为2 5 1 0 4q c m ，平均抗拉强度为5 3 m p a ，表面缺陷少，致密度好，趋 于 2 2 2 的择优取向，焊接性能好，基本满足电极层的需求。 ( 7 ) 在上述研究的基础上，我们初步制备出了散热性能良好的5 w 白光l e d 单芯片封装，初测其封装热阻为8 0 5 k w ，与第四章中的5 w 白光l e d 单芯片 封装的热阻仿真结果5 8 刈w 比较吻合。当环境温度为5 0 时，芯片最高的结温 为8 2 2 ，可以满足大功率l e d 封装的散热要求。 关键词：大功率l e d ，封装，散热性能，热阻，日光灯 2 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t l i g h te m i t t i n gd i o d e ( l e d ) ，b e i n gw i d e l yu s e di nm o b i l ef l a s h l i g h t , l a r g ea n d m e d i u ms i z e sd i s p l a y s ( n b ，l c d t v ) a n di l l u m i n a t i o ns y s t e m ，h a sb e c o m eo n eo f t h em o s tp r o m i s i n gh i g ht e c h n o l o g i e si n21s tc e n t u r yw i t has e r i e so fd i s t i n c t i v e a d v a n t a g e ss u c ha sl o w e r - p o w e rc o n s u m p t i o n ，p u r el i g h t ，s o l i d s t a t e ，e n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n m a n yc o u n t r i e ss u c ha st h eu n i t e ds t a t e s ，t h ee u r o p e a nu n i o n ，j a p a na n d c h i n ah a v ee s t a b l i s h e dn a t i o n a l s t r a t e g i e s a n di n v e s t e dt oa c c e l e r a t el e d i n d u s t r y t h ee l e t r o p h o t i ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c yr a n g e sf r o m2 0 t o3 0 ，t h u st h er e s t e n e r g yc o n v e y si n t ot h e r m o p o w e rw h i c hc a n tb er e l e a s e dt h r o u g hr a d i a t i o n w i t h t h i sl o wh e a tr e m o v a le f f i c i e n c y , t h er a i s eo ft e m p e r a t u r ei nt h ec h i pw i l lr e s u l ti n n o n u n i f o r md i s t r i b u t i o no ft h e r m a ls t r e s s ，d e c l i n eo ft h el u m i n o u se f f i c i e n c yo ft h e c h i pa n dt h em a s e re f f i c i e n c yo ft h ep h o s p h o r ，a n du l t i m a t e l yl e a dt od e v i c ef a i l u r e s ot h ep a c k a g i n go f h i g h p o w e rl e d s ，e s p e c i a l l yt h ep a c k a g i n go fw h i t eh i g h p o w e r l e d sh a sb e e nt h eo b s t a c l e st ot h ei n d u s t r i l i z a t i o n t os o l v et h ep r o b l e m so ft h ec u r r e n tp a c k a g i n go fh i g h - p o w e rl e d s ，w ep u t f o r w a r dan e ws t r u c t u r eo fp a c k a g i n go fh i g h - p o w e rl e d s t h r o u g hr e s e a r c hb o t h t h e o r e t i c a ll ya n de x p e r i m e n t a l l ya sw e l la sp r o c e s s i n go nt h es t r u c t u r ea n dm a t e r i a l s o fp a c k a g i n gf o rh i g h p o w e rl e d sa n dt h es i m u l a t i o na n do p t i m a ld e s i g no f5 w s i n g l e c h i pw h i t el e dp a c k a g i n ga n d5wm u l t i c h i pw h i t el e d sp a c k a g i n g ，w e d e s i g n e da n dp r e p a r e dat h e r m a lp a c k a g i n gm o d u l ef o r5 ww h i t el e d sw i t ht h e t h e r m a lr e s i s t a n c eo f8 0 5 k wa n dt h el u m i n o u se f f i c i e n c yo f16 0 1 m w t h em a j o r w o r k sa n di n n o v a t i o ni nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t os o l v et h ec o m m o np r o b l e m sa b o u tt h ep r e s e n tp a c k a g i n go fh i g h p o w e r l e d sw i t hw o r s et h e r m a lp e r f o r m a n c e ，c o m p l i c a t ep r o c e s sa n dh i g hc o s t ，w e p r e s e n t e d a n i n t e g r a t e dp a c k a g i n go fh i g h - p o w e rl e d sa n dap a c k a g i n go f f l u o r e s c e n tl a m pc o m p o s e do fl e d so nt h eb a s i so fb o t ht h e o r ya n de x p e r i m e n t ，a n d a p p l i e df o rt w or e l e v a n tp a t e n t s b yp r e p a r i n gt h ei n s u l a t i n gl a y e ra n dt h ee l e c t r o d e l a y e rd i r e c t l yo nt h ea l u m i n u mp l a t e ，t h ea m o u n ta n dt h i c k n e s so fi n t e r n a lh e a ts i n k s 3 浙江人学硕1 ：学位论文 a b o u tt h ep a c k a g i n go fh i g h - p o w e rl e d si sr e d u c e d t h u s ，t h e s em e t h o d s ，w h i c h c o u l di m p r o v et h et h e r m a lp e r f o r m a n c eo f p a c k a g i n g f o rh i g h - p o w e rl e d sw i t he a s y p r o c e s s i n g ，l o s tc o s ta n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na c c o r d i n gt or o l l s ，c o u l dl e a dt oa e f f e c t i v es o l u t i o nt ot h eh e a t r e l e a s ep r o b l e mf o rp a c k a g i n go fh i g h p o w e rl e d s ( 2 ) t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc o m p a r i s o na b o u tp e r f o r m a n c ea m o n g t h e m a t e r i a l su s e df o rt h ec o o l i n gp l a t e ，t h ei n s u l a t o rl a y e ra n dt h ee l e c t r o d el a y e r , w e c h o s et h ea l u m i n u mf o rc o o l i n gp l a t e ，a 1 2 0 3f o ri n s u l a t o rl a y e ra n dc r n i c u a go r i t o l a y e rf o rt h ee l e c t r o d el a y e r ( 3 ) w i t ht h es i m u l a t i o na n do p t i m a ld e s i g no ft h e r m o d y n a m i c sf o rp a c k a g i n g m o d u l e so f5 ws i n g l e - c h i pw h i t el e da n d5 w m u l t i c h i pw h i t el e d s ，w ef o u n dt h a t t h et h e r m a lr e s i s t a n c eo ft h ef i r s tp a c k a g i n gi s5 8 k wa n dt h i sp a c k a g i n g ，o fw h i c h t h eh i g h e s tt e m p e r a t u r eo ft h ec h i pi s7 3 1 9 7 ( 2w h e nt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r ei s5 0 ，c o u l dw e l ls a t i s f yh e a t - r e l e a s en e e d sf o rt h eh i g h - p o w e rl e dp a c k a g i n g a n dt h e s e c o n dp a c k a g i n g ，o fw h i c ht h et h e r m a lr e s i s t a n c ei s3 9 8 6 k wa n dt h eh i g h e s t t e m p e r a t u r eo ft h ec h i pi s6 5 9 9 4 cw h e nt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r ei s5 0 。c ，c o u l d w e l ls a t i s f yh e a t - r e l e a s en e e d sf o rt h eh i g h p o w e rl e dp a c k a g i n g t h et h e r m a l r e s i s t a n c eo ft h es e c o n do n ei s2 5 6 3 k ww i t ha l u m i n u mp l a t e1 1r a n lt h i c ka n dt h e c o n v e c t i o nc o e f f i c i e n to f10w ( m 2 k ) a f t e rt h eo p t i m a lo fs t r u c t u r ep a r a m e t e r s t h ep a c k a g i n gb o t hf o rs i n g l e - c h i pa n dm u l t i - c h i p sc o u l dm e e tt h eh e a t - r e l e a s e r e q u i r e m e n tf o rh i g h p o w e rl e d s ( 4 ) w ep r e p a r e dt h ea l u m i n u md i o x i d el a y e rw i t ht h et h i c k n e s so f3 0 2 u ma n d t h e d i e l e c t r i cp r o b a b i l i t yo f3 2 5 v u mb yt h em e t h o do fh a r da c i da n o d i z i n g t h r o u g h t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt e s t ，w ea n a l y z e dt h ee x p l a n a t i o nf o rn o n - i n s u l a t i o na b o u tt h e i n s u l a t o rl a y e ra f t e rc o a t i n ga n dp o i n t e do u ts o m ei m p r o v e m e n t s ( 5 ) a f t e rt h er e s e a r c ha b o u tt h ep r e p a r a t i o na n dm a t e r i a l so ft h ee l e c t r o d el a y e r , w ep r o d u c e de a c hl a y e ro fi ta sc r n i c u a g t h er e s u l t ss h o w nt h a tt h es a m p l eo f w h i c ht h er e s i s t i v i t ya c h i e v e d3 10 6q c m a v e r a g eb o n d i n gf o r c eu pt o4 2 2m p a w i t hl i t t l es u r f a c ed e f a u l t sa n dg o o dd e n s i t ya n df i n ew e l d i n gp r o b a b i l i t yc o u l dm e e t t h ea c q u i r e m e n to ft h ee l e c t r o d el a y e r ( 6 ) w ep r e s e n t e dan e wm e t h o dw i t ht h ei n t r o d u c t i o no fo n l i n eu l t r a v i o l e t 4 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t r a d i a t i o nd u r i n gt h ep r e p a r a t i o no fi t ot h i n - f i l ma se l e c t r o d el a y e rb yr fm a g n e t r o n s p u t t e r i n ga n da p p l i e df o rar e l e v a n tp a t e n t t h e s er e s u l t ss h o w nt h a tt h er e s i s t i v i t y , t h es u r f a c et o p o g r a p h ya n dt h eg r o w t ho r i e n t a t i o no fs a m p l e sp r o d u c e dw i t hu v r a d i a t i o na r em u c hb e t t e rt h a ns a m p l e sp r o d u c e dw i t h o u tu vr a d i a t i o n t h es a m p l e p r o d u c e dw i t hu vr a d i a t i o no fw h i c ht h es m a l l e s ts q u a r er e s i s t a n c ei s5o u ，t h e r e s i s t i v i t ya c h i e v e d2 5x10 珥q c m ，a v e r a g eb o n d i n gf o r c eu pt o5 31 v i p aw i t hl i t t l e s u r f a c ed e f a u l t sa n dg o o dd e n s i t ya n dt h ep e a ko f 【2 2 2 】a n dg o o dw e l d i n gp r o b a b i l i t y c o u l dm e e tt h ea c q u i r e m e n to ft h ee l e c t r o d el a y e r ( 7 ) b a s e do nt h es t u d ya b o v e ，w ep r e p a r e dap a c k a g i n go f5 ws i n g l e - c h i pw h i t e l e dw i t ht h e r m a lr e s i s t a n c eo f8 0 5 k w t h i sr e s u l ti sh i g h l yc o n s i s t e n tw i t ht h e p r e d i c t i o n so ft h et h e o r e t i c a lm o d e l t h i sp a c k a g i n g ，o fw h i c ht h eh i g h e s tt e m p e r a t u r e o ft h ec h i pi s8 2 2 cw h e nt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r ei s5 0 。c ，c o u l dw e l ls a t i s f y h e a t r e l e a s en e e d sf o rt h eh i g h p o w e rl e d p a c k a g i n g k e y w o r d ：h i g h - p o w e rl e d ，p a c k a g i n g ，t h e r m a lp e r f o r m a n c e ，t h e r m a l r e s i s t a n c e ，f l u o r e s c e n tl a m p 5 浙江大学硕士学位论文 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸望盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：荔趣签字日期：泓彬缪年，月2 ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权迸、江盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：荔这 导师签名： 纠谢 签字日期：2 pp g 年，j 月2 ，日 签字日期：彩年，月衫日 浙江大学硕十学 c f = 论文致谢 致谢 随着本文的结束，我也将结束两半年的硕士生涯。在这近三年里，在为人处 事上我学会了自信、自强、自立；在科学研究上我学会了发现问题、分析问题、 解决问题，在一定程度上培养了创新能力。 对于这一切能力的获得和本论文的完成，我首先要感谢我的导师王教授，感 谢王老师对我生活、学习和论文上的帮助和指导，每一个阶段都倾注了导师大量 的心血。王教授渊博的学识、严谨的治学态度、开拓活跃的思维、独到的学术见 解、孜孜以求的钻研精神和丰厚的阅历都深深的影响着我，令我终身受益。恩师 高尚的人格品性，勤劳刻苦的工作作风，为我今后从事社会工作树立了榜样。借 此向王老师致以崇高的敬意和最诚挚的感谢! 同时我要感谢同课题组的王耀明同学。他知识渊博、待人诚恳、刻苦勤奋。 在这个课题的研究过程中，我们一起做实验、一起送材料到工厂外加工、遇到实 验问题一起讨论一起解决。当我困惑时，他耐心地给我讲解，使我受益匪浅。当 我遇到困难时，他给予了我最大的帮助和支持。和他相处和合作的这段时间，是 我这三年度过的最充实最快乐的时光。本文的完成也得到了他莫大的支持和帮 助。 感谢任老师和顾老师在真空溅射实验和数据测试过程中给予我的巨大帮助， 每次我遇到实验设备上的故障问题，你们都会耐心帮我解决。感谢金老师和董老 师在理论研究上给予我的启迪和指导。 感谢我的父母和姐姐，是你们默默的支持和无私的奉献使我能一路走到今 天。你们的爱是我前进的巨大动力，使我克服一个个困难，满怀信心接受挑战! 感谢光电薄膜实验室其他所有关心过我、帮助过我的同学。感谢你们陪我一 起度过了很多快乐的时光，感谢你们在平时的工作学习生活中给予我的帮助。 感谢在我转硕过程中所有给予我帮助、支持和理解的学校、学院领导和老师， 是你们给予了我尽一份孝心的机会。谢谢你们! 最后再一次衷心地感谢所有帮助过我的老师和朋友们，谢谢大家! i v 浙江大学硕十学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 发光二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，简称l e d ) 诞生至今，已经实现了全彩 化和高亮度化，并在蓝色紫色l e d 基础上产生的白光l e d ，带来了人类照明史 上的又一次飞跃。与白炽灯和荧光灯相比，l e d 以其体积小，全固态，长寿命， 环保，省电等一系列优点，已经在汽车照明、装饰照明、手机闪光灯、大中尺寸 显示屏光源模块得到广泛应用，成为21 世纪最具发展前景的高新技术领域之一。 据预测，未来的五年中，l e d 技术很有可能挑战白炽灯、荧光灯、卤素灯的主 导地位，成为目前所知光源中最符合节能环保的优质光源【l 】。美国、欧盟、日 本等众多国家纷纷出台计划，投入巨资加速其发展，以占领能源战略制高点。我 国十一五规划指出：半导体照明产业关系重大，其发展成败不仅关系到照明领域 未来的节能降耗问题，而且是本世纪半导体技术发展的关键。 日本的n i c h i a 、丰田合成、美国的l u m i l e d s 、c r e e 、德国的o s r a m 五家公 司几乎控制了整个白光l e d 产业，尤其在蓝光芯片和白光荧光粉方面布置了严 密的专利网。我国l e d 技术起步较晚，自主知识产权较少，随着产业的不断发 展，很可能卷入专利纠纷中，发展情况不容乐观。但我国l e d 产业仍然有机会 取得突破，打破这种被动的专利格局。近年来随着大功率l e d 应用于照明的形 式逐渐形成，大功率封装的专利极可能成为继白光荧光粉专利后专利诉讼的主要 目标【2 ，3 】。因此，我国很有必要以大功率l e d 封装为开发重点，在获得更多自 主知识产权的同时，与国外公司进行交叉授权。 目前看来，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【3 】。对于现有的l e d 光效水平而言，输入电能的7 0 8 0 转变成为无法借助辐射释放的热量，而且l e d 芯片尺寸很小，如果散 热不良，则会使芯片温度升高，引起热应力分布不均、芯片发光效率降低、荧光 粉激射效率下降。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 。为了保证器件的寿命，一般要求 8 浙江大学硕上学位论文第一章绪论 p n 结结温在l1 0 以下。随着p n 结的温升，白光l e d 器件的发光波长将发生 红移。在1 0 0 的温度下，波长可以红移4 9l i r a ，从而导致钇铝石榴石( y a g ) 荧光粉吸收率下降，总的发光强度会减少，白光色度变差。在室温附近，温度每 升高1 ，l e d 的发光强度会相应地减少l 左右，当器件从环境温度上升至 1 2 0 时，光衰高达3 5 【4 】。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。近年的国内外研讨会普遍认为，如何提高封装散 热能力是现阶段照明级大功率l e d 亟待解决的关键技术之- - 1 ，3 】。 近年来，人们对于大功率l e d 封装在芯片布置、封装材料选择( 基板材料、 热界面材料) 与工艺、热沉设计等方面已经做了很多工作，并且取得了一定进展。 目前散热性能较好的封装结构主要有： ( 1 ) 印刷屯路板( p c b ) 结构：通过粘胶剂 或焊料将l e d 芯片直接粘贴到p c b 板上，再通过引线键合实现芯片与p c b 板 间电互连。主要用于大功率多芯片阵列的l e d 封装，其热阻一般为6 1 2k w 。 同表面贴装技术( s m t ) 相比，在降低封装热阻的同时，大大提高了封装的功率密 度。( 2 ) 系统封装技术：由台湾新强光电公司研制，采用翅片+ 热管的方式构成 高效能散热模块，研制出了7 2 w 、8 0 w 的高亮度白光l e d 光源。由于封装热阻 较低( 4 3 8 到w ) ，当环境温度为2 5 时，l e d 结温控制在6 0 。c 以下，从而确保 了l e d 的使用寿命和良好的发光性能。( 3 ) 微泵浦结构：由华中科技大学研制， 采用p c b 封装和微喷主动散热技术相结合，封装热阻约为o 5 5 列w 。上述技 术中，p c b 结构中的p c b 板是热的不良导体，它会阻碍热量的传导；系统封装 技术和微泵浦结构的散热性能虽好，但结构过于复杂、成本也过高，不适合大规 模产业化生产【4 】。因此，摸索合适的结构和材料、制备工艺和参数来设计和制 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。 以上各种冈素促使我们选择了大功率l e d 封装的散热性能这一课题进行研 究，提出了一种集散热器、绝缘层、电极层于一体的的新型大功率l e d 封装结 构和一种带自散热功能的l e d 日光灯。由于实验条件和时间的限制，我们选取 第一种封装结构作为研究对象，探索了散热性能优良的封装结构及材料，理论和 实验研究了封装结构各组成部分的制备工艺和相关参数，用热力学软件a n s y s 对采用该封装的5 w 单芯片白光l e d 封装和5 w 多芯片白光l e d 阵列封装的传 9 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 热学仿真优化设计，并制备了5 w 单：占片白光l e d 封装，通过动态电学法对其 热阻进行了测量，与仿真值相吻合，并已申请了相关专利三项。 1 2 本文研究目的及章节分布 由于如何提高封装的散热能力是大功率l e d 实现产业化亟待解决的关键技 术难题之一，对散热性能优良的大功率l e d 封装的的需求和研究已成为热点， 因此，本文选择大功率l e d 封装的散热性能的若干问题作为研究课题。 目前，国内外开发的大功率l e d 封装普遍存在散热性能不良，制备工艺复 杂，产业化前景不甚光明等缺点。本文针对目前大功率l e d 封装所面临的瓶颈 散热性能差，提出了一种集散热器、绝缘层、电极层于一体的大功率l e d 封装结构，首先在铝散热器表面直接制备绝缘膜，然后在绝缘膜上溅射镀覆电气 层，最后将芯片倒装焊接在电极层上，以期通过减少内部热沉数和减薄内部热沉 厚度来降低热阻，并创新性地提出了一种带自散热功能的l e d 日光灯。主要研 究目的就集中在优化设计l e d 散热封装的结构参数，通过理论分析和实验来分 析和设计封装的制备工艺，用热力学软件a n s y s 对采用该封装的5 w 单芯片白 光l e d 封装和5 w 多芯片白光l e d 阵列封装的传热学仿真优化设计，并根据最 佳设计和工艺参数，制备5 w 单芯片白光l e d 封装，从而为大功率l e d 的应用 发展做准备。 本文主要章节内容安排如下： 第一章主要讲述了选择研究大功率l e d 封装散热性能的若干问题的动机以 及本文的研究目的和内容。 第二章主要讲述了l e d 的背景、热效应、封装的现状和发展趋势、散热性能 的表征和测试。首先在第2 1 节中概述了l e d 的结构、发光原理、主要性能参数、 发展现状和趋势。然后在第2 2 节中主要从半导体材料理论方面分析了l e d 热效 应对其p n 结正向偏压、发光效率、光通亮、光色和寿命的影响，认为大功率l e d 的散热问题亟待解决。在第2 3 节和第2 4 节中从芯片结构、封装结构、封装材料 等方面分析并总结了当前业界对l e d 封装的研究现状和趋势。针对当前的封装存 在的散热性能不好、制备工艺和结构复杂、成本高等缺点，本文提出的采用薄膜 工艺将电极层和绝缘层直接制作在金属散热器上，通过减少内部热沉数量和减薄 1 0 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 内部热沉厚度以大幅度提高散热性能，具有研究意义。为了对大功率l e d 封装的 散热性能进行准确的表征和测量，第2 5 节中介绍了单：签片和多芯片封装热阻的 定义，以及相关的测试方法和原理。 第三章介绍了新型l e d 散热封装的结构和材料的选取。本文提出了高功率 l e d 兼容集成封装模块( c n 2 0 0 7 1 0 0 6 7 9 0 0 8 ) 和自散热式的发光二极管日光灯 结构( c n 2 0 0 8 1 0 0 6 3 7 3 3 4 ) 。由于时间和具体实施的限制，重点研究第一种封装 结构，设计膜系结构，运用多种理论分析并比较了组成散热基板、绝缘层和电极 层的各种材料性能，选用锚作为基板材料、氧化铝作为绝缘层材料、过渡层t i 阻挡层n i c u 电极层a g 的梯度膜系和i t o 薄膜两种作为电极层。 第四章研究了大功率l e d 封装的热力学仿真优化设计。本文建立了瞬态和稳 态的三维传热学模型，利用有限元分析软件a n s y s 对5 w 单芯片白光l e d 封 装和5 w 多芯片自光l e d 阵列封装进行三维热力学仿真，并选取不同的封装参 数，对5 w 多芯片白光l e d 阵列封装进行优化设计。 第五章对制备出的5 w 单芯片自光l e d 封装进行了具体分析。研究了氧化 铝绝缘层、电极层以及5 w 单芯片白光l e d 封装的制备方法，通过性能测试和 分析，详细讨论了绝缘层镀膜后短路的原因和改进方法，研究了电极层的制备工 艺，最终制备了散热性能较为优良的5 w 单芯片白光l e d 封装，并将其与 l u m i l e d s 公司提供的参考值和仿真值相比较和分析。 最后，第六章对本文做出了结论。总结了本文做的主要工作和创新点以及不 足之处，对本课题可继续研究的方向提出了建议。 浙江大学硕士学位论文第二章l e d 及其封装的概述 2 1l e d 的简介 第二章l e d 及其封装的概述 l e d 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2 l 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l e d 的结构、发光原理、主要参数性能、发展 现状与趋势。 2 1 1l e d 的结构 发光二极管是一种注入电致发光器件，由i i i 族化合物，如g a p ( 磷化镓) 、 g a a s p ( 磷砷化镓) 等半导体制成。l e d 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 p n 结，通常采用双异质结和量子阱结构。它除了具备普通p n 结的i 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 】。 2 1 2l e d 的发光原理 图2 1l e d 的基本结构 5 】 l e d 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 1 2 浙江人学硕一i 二学位论文第二章l e d 及其封装的概述 空穴和电子，但在常态时，由于p n 结的阻挡，空穴和电子不能发生自然复合【7 】。 当在p n 结上加正向电压时，如图2 3 所示，在外加电场作用下，p n 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p n 结上加反向电压，少数载流子难以注入， 故不发光【5 】。 图2 2 热平衡条件下p n 结的能带图【7 】 图2 3 外加正偏电压下p n 结的能带图【7 】 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。l e d 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， 发光效率揣o l e d 所发的光波波长入取决于材料的禁带宽度乓，满肌2 毒， 其中h 为普朗克常数，c 为真空中的光速 8 】。因此，选用禁带宽度不同的半导体 浙江人学硕七学位论文 第二章l e d 及其封装的概述 材料，就可以制造出发光颜色不同的l e d ，现在常见的有红、黄、绿、蓝发光 二极管【6 】。 2 1 3l b d 的主要性能参数 2 1 3 1 发光效率 发光效率r l 是l e d 的一个重要的性能指标，用l m 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【9 】。 内量子效率r l , ( x ，y ) ( i q e ) 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m o c v d 技术的成熟，l e d 芯片的内量子效率均大于9 8 。外量子效率锄( e q e ) 是指 芯片输出光子数与注入芯片电子数之比。提取效率仉叫( x ，y ) 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r t 指器件输出光通量与输入器件电功率之 比 9 ，1 0 1 。 内量子效率和外量子效率都反映了l e d 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【9 】： 孙= 监旅裂掣 ( 2 - 1 ) 其中j ( x , y ) 表示有源层中的电流密度。由于流明效率除了和l e d 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l e d 而言，其流 明效率较量子效率更受关注。l e d 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，l e d 器件流明效率也朝着其极限值光谱流明效率逐步提高 1 0 l 。在量子效率相同 1 4 浙江大学硕一 ：学位论文 第二章l e d 及其封装的概述 的情况下，绿光具有最高的流明效率【9 】。 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