基于大功率led的封装与散热.doc

毕业设计用纸摘要由于目前半导体发光二极管晶片技术的限制，因此大功率LED散热封装技术就显得十分重要。本文论述了功率型LED发光原理和结构、参数特性、芯片的结构及封装。通过对散热的分析介绍人大功率LED封装的关键技术：低热阻封装工艺、高取光率封装结构与工艺、阵列封装与系统集成技术、封装大生产技术、封装可靠性测试与评估。最后选择不同的材料进行对比，选择最佳散热方式。文中主要从以上几个方面进行论述，从各个方面表明封装、散热对大功率LED发展的重要性及怎样更好的封装、散热。关键词：LED；散热；封装；对比ABSTRACTDue to the limitation of current semiconductor light-emitting diode chip technology, so high power LED heat dissipation packaging technology becomes very important.This paper discusses the principle and the structure, power type LED characteristic parameters, the structure of the chip, and encapsulation. Through the analysis of the heat dissipation references the key technology of high power LED packaging: encapsulation process low thermal resistance, high rate of light encapsulation structure and craft, the grid array and system integration technology, production technology, the packaging reliability test and evaluation. Comparing the final choice of different materials, choose the best encapsulation, the cooling way.This paper mainly discussed from the above several aspects, from various aspects show the importance of packaging and heat dissipation of high-power LED development and how to better encapsulation, heat dissipation.Keywords: The LED；; Heat dissipation；Encapsulation；contrast 毕业设计用纸目 录第一章 功率型LED概述11.1 LED的结构和发光原理11.2 LED参数特性21.2.1 电学特性21.2.2 光学特性31.3 芯片的制备与结构41.3.1 芯片制备过程41.3.2 芯片结构51.4 功率型LED封装51.4.1 LED的封装工艺61.5 大功率LED7第二章 散热分析与设计82.1 大功率LED热的产生82.1.1 大功率LED工作时发热的原因82.2 热量的传递方式92.2.1 热辐射92.2.2 对流102.2.3 热传导102.3 LED的热阻102.3.1 热阻的定义102.3.2 热阻分析112.4 LED的结温132.4.1 结温的定义132.4.2 结温分析132.5 大功率LED封装的关键技术152.5.1低热阻封装工艺153.5.2高取光率封装结构与工艺153.5.3阵列封装与系统集成技术163.5.4封装大生产技术173.5.5封装可靠性测试与评估18第三章 大功率LED的封装散热193.1 材料选择193.1.1芯片的选择193.1.2 粘结材料选择203.1.3 灌封胶和荧光粉的选择203.1.4 基板材料的选择213.2 装焊工艺223.3 热沉设计及热匹配计算233.4 静电保护电路24第四章 总结与展望264.1总结264.2展望26参考文献27致谢28第一章 功率型LED概述1.1 LED的结构和发光原理发光二极管的核心部分是一个电致发光（electroluminescence）的半导体材料，它被至于支架上，四周被环氧树脂胶密封。发光二极管的基本构造图，如图1.1所示。图1.1 LED基本构造发光二极管是由-族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体制成的，这些半导体材料会预先透过注入或搀杂等工艺以产生P、N架构。发光二极管的核心部分是P型半导体和N型半导体所组成的晶片，因此它具有一般P-N结的正向导通、反向截止、击穿等特性。电流可以轻易地从P极（阳极）流向N极（负极），而相反方向则不能。在如图1.2所示的电路中，将电池的正极连接P区，电池的负极连接N区，其中实心点表示电子，空心点表示空穴，Eg为禁带宽度。如果两端同时加上正向电压的时候，由于P-N结势垒的降低，则两种不同的载流子：空穴和电子在不同的电极电压作用下从电极流向P区和N区。空穴从P区注入N区，而电子从N区注入P区，当电子和空穴相遇而产生复合，电子会跌落到较低的能阶，同时以光子的模式释放出能量，因而就会发出可见光，紫外光或近红外光。但是，P-N结发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率，因此，并不是管芯产生的所有光都可以释放出来，这主要取决于半导体材料质量、管芯结构及几何形状、封装内部结构与包封材料。应用中要求提高LED的内、外部量子效率，它所发出的光的波长（决定颜色），是由组成P、N架构的半导体物料的禁带能量决定。共 28 页 第 1 页图1.2 LED发光示意图1.2 LED参数特性发光二极管是一种注入式电致发光器件，由P型半导体和N型半导体组合而成，所以它具备PN结型器件的某些参数特性：1.2.1 电学特性1.电流与电压特性发光二极管的伏安特性曲线如图1.3所示。它与普通二极管的伏安特性曲线大致相同。电压小于开启点的电压值时无电流，电压一旦超过开启点，就显示出欧姆导通特性。此时正向电流与电压的关系为： （1-1）其中，k是波尔兹曼常数，m为复合因子。在宽禁带半导体中，当电流小于0.1毫安时，通过结内深能级进行复合的空间复合电流起支配作用，这时，m=2；电流增大后，扩散电流占优势时，m=1。此外，在LED的使用时，我们引入允许功耗。它是允许加于LED两端正向直流电压V与流过它的电流I之积的最大值，记为： （1-2）超过此值，LED发热、损坏。 图1.3 LED的I-V 特性曲线2.发光亮度与电流的关系发光二极管的发光亮度B是单位面积发光强度的量度。在辐射发光发生在P区的情况下，发光亮度B与电子扩散电流之间有如下关系： （1-3）式中，是载流子辐射复合寿命和非辐射复合寿命的函数。以GaP发光二极管为例，它的发光亮度随着电流密度近似成正比增加而不易饱和，它适合在脉冲下使用，因为脉冲状态工作不易发热，在平均电流与直流相等的情况下可以得到更高的亮度。3.寿命发光二极管的寿命定义为亮度降低到原有亮度一半时所经历的时间。二极管的寿命一般都很长，在电流密度小于时，一般可达小时，最长可达小时。随着工作时间的加长，亮度下降的现象称为老化。老化的快慢与工作电流密度有关。随着电流密度的加大，老化变快，寿命变短。4.响应时间在快速显示时，标志器件对信息反应速度的物理量叫响应时间，即器件启亮（上升）与熄灭（衰减）时间的延迟。实验证明，二极管的上升时间随电流的增加而近似呈现指数衰减。且响应时间通常很短。1.2.2 光学特性1.发光效率（流明效率）我们通常所说的发光效率包括量子效率以及提取效率和流明效率。由于人眼对光的敏感程度与光的波长有关，因此，功率效率很高的发光器件所发出的光，人眼看起来就不见得亮。为了便于用人眼来衡量一个发光器件的功能，引入参量流明效率，它表示消耗单位电功率所得到的光通量()：lm/W （1-4）量子效率是指注入载流子复合而产生光量子的效率。由于内吸收和内反射等原因，使得产生的光量子不能全部射出。因此，量子效率又分为内量子效率和外量子效率。一般来说，发光效率指的是外量子效率。提取效率是指芯片输出光子数与芯片有源区发出的光子数之比。内、外量子效率和提取效率之间的关系可以由下式表示： (1-5)其中表示有源层中的电流密度。2.发光强度发光强度表征LED在光源某方向上的发光强弱，用法向光强来衡量，即位于法向方向的光强是最大的，其与水平面交角为90。易知，发光强度是一个同半角宽度和光强角分布存在一定关系的特征参数，它主要取决于封装的工艺如何，并有着很强的实际意义。国际照明委员会引入了平均光强的概念：照射在离大功率LED一定距离处的光探测器上的光通量与由探测器构成的立体角的比值，而立体角又为探测面积和测量距离平方的比值，如下式所示： (1-6)1.3 芯片的制备与结构1.3.1 芯片制备过程LED的制备流程分为三个步骤：上游单晶片与外延晶片制作、中游晶粒制作和下游封装。1)上游工艺：上游工艺的产品为单晶片和外延晶片，它们在工艺中的生成的顺序为：单晶棒单晶片结构设计外延晶片。外延晶片是依照不同产品在单晶片上成长多层不同厚度的单晶薄膜，通常也被称为磊晶。常用的外延成长技术有：液相外延生长法(Liquid Phase Epitaxy；LPE) 、气相外延生长法(Vapor Phase Epitaxy；VPE )和有机金属化学气相沉积法(Metal Organic Vapor Phase Epitaxy；MOVPE，又称为MOCVD（metal-organic chemical vapor deposition)等。其中气相外延生长法（VPE）的特点是以气体或电浆材料传输至基板，促使晶格表面粒子凝结或电离；液相外延生长法（LPE）是把熔融状态下的液体材料直接和基板接触而沉积晶膜。这两种技术虽然都已经相当成熟，但是它们都存在着磊晶薄度和平整度不理想的问题。由于该缺陷的存在，所以这两种技术一般只被用来生产传统的低功率LED。有机金属化学气相沉积法（MOCVD）是将有机金属以气体形式扩散至基板，促使晶格表面粒子凝结，该方法磊晶纯度高，薄度与平整度都很理想。MOCVD系统是目前大规模制造HB-LED的主流生产设备。2)中游过程： 中游工艺的制作过程主要包括：金属蒸镀光罩刻蚀PN电极制作切割崩裂等步骤。该过程的成品为晶粒。3)下游封装：下游封装的内容包括：晶粒粘贴打线树脂封装剪脚。此阶段对于产品的成品率影响最大。1.3.2 芯片结构图1.4对比了正装与倒装焊的LED芯片结构。为了提高光的出射率和芯片的光通量，主要有以下几方面需要注意：1.克服芯片表面的全反射，提高光提取率（出射效率）；2.提高背面、侧面发光利用效率；3.增大芯片面积，提高输入功率；4.降低芯片PN结到基座的热阻。图 1.4 正装与倒装LED芯片示意图1.4 功率型LED封装LED封装技术大都是在分立器件封装技术的基础上发展与演变而来的，但与它们又有很大的区别。一般情况下，分立器件的管芯被密封在封装体内，封装的作用主要是保护发光芯片和下一层电路完成电气互连。而LED封装则是为了保护芯片正常工作，输出可见光，这其中既包含电参数，又有光参数的设计及技术要求，所以，无法简单地将分立器件的封装用于LED。经过多年的发展，LED封装由最初的支架式LED（Lead LED），到后来的普通贴片式LED（Chip SMD LED）及功率型LED（Power LED），再到目前的大功率LED（High Power LED）。由图1.5我们可以看到，LED器件封装的结构演变。从图上我们可以看到，随着LED的发展，其热阻越来越小。众所周知，以热阻为例，热阻的大小直接影响到LED的散热性能（这在下面的章节会具体介绍，热阻是影响散热的因素之一），而如果不能有效的控制热性能的话，LED的发光效率就会显著的下降，并最终可能导致失效。所以，在目前运用广泛的大功率LED封装过程中，如何处理好封装与可靠性的关系，就摆在我们面前。图1.5 LED封装发展过程1.4.1 LED的封装工艺前面我们大致介绍了芯片制备的流程，为了使已制作完成的半导体芯片免受机械应力、热应力、湿气、有害气体以及放射线等外部环境的影响，需要采用一个合适外形和结构的封装来保护芯片。这样做，一方面保证了半导体器件最大限度的发挥它的电学特性而正常工作，另一方面通过封装壳体将会使应用更加方便。下面简要介绍LED封装工艺步骤，以及各个步骤的作用：芯片检验：主要是检查材料表面是否有机械损伤，以及芯片的尺寸和电极大小是否符合工艺要求。扩片：由于LED芯片在划片后依然排列紧密间距很小（约0.1mm），不利于后期工序的操作。我们采用扩片机，对粘结芯片的膜进行扩张，使得LED芯片的间距拉伸到约0.6mm。点胶：在LED支架的相应位置点上银胶或绝缘胶。对于GaAs、SiC导电衬底，具有背面电极的红光、黄光、黄绿芯片，采用银胶。对于蓝宝石绝缘衬底的蓝光、绿光LED芯片，采用绝缘胶来固定芯片。备胶：与上个步骤相反，备胶是先用备胶机把银胶涂在LED背面电极上，然后把背部带银胶的LED安装在LED支架上。但不是所有产品都适用备胶工艺。手工刺片：将扩张后的LED芯片（备胶或未备胶）安置在刺片台的夹具上，LED支架放在夹具底下，在显微镜下用针将LED芯片一个一个刺到相应的位置上。自动装架：自动装架其实是结合了沾胶（点胶）和安装芯片两大步骤，先在LED支架上点上银胶（绝缘胶），然后用真空吸嘴将LED芯片吸起移动位置，再安置在相应的支架位置上。烧结：烧结的目的是使银胶固化，烧结要求对温度进行监控，防止批次性不良。银胶烧结烘箱的必须按工艺要求隔2小时（或1小时）打开更换烧结的产品，中间不得随意打开。烧结烘箱不得再用作其他用途，防止污染。压焊：压焊的目的将电极引到LED芯片上，完成产品内外引线的连接工作。LED的压焊工艺有金丝球焊和铝丝压焊两种。压焊是LED封装技术中的关键环节，工艺上主要需要监控的是压焊金丝（铝丝）拱丝形状，焊点形状，拉力。模压封装：将压焊好的LED支架放入模具中，将上下两副模具用液压机合模并抽真空，将固态环氧放入注胶道的入口加热用液压顶杆压入模具胶道中，环氧顺着胶道进入各个LED成型槽中并固化。固化与后固化：固化是指封装环氧的固化；后固化：后固化是为了让环氧树脂充分固化，同时对LED进行热老化。切筋和划片：由于LED在生产中是连在一起的（不是单个），Lamp封装LED采用切筋切断LED支架的连筋。SMD-LED则是在一片PCB板上，需要划片机来完成分离工作。 测试：测试LED的光电参数、检验外形尺寸，同时根据客户要求对LED产品进行分选。 包装：将成品进行计数包装。1.5 大功率LED大功率LED作为第四代电光源，赋有“绿色照明光源”之称，具有体积小、安全低电压、寿命长、电光转换效率高、响应速度快、节能、环保等优良特性，必将取代传统的白炽灯、卤钨灯和荧光灯而成为21世纪的新一代光源。大功率LED作为照明光源具有体积小、耗电小、发热小、寿命长、响应速度快、安全低电压、耐候性好、方向性好等优点。 外罩可用PC管制作，耐高温达135度.，低温-45度无高压，不吸灰尘。消除了普通路灯因高压吸收灰尘导致灯罩发黑引起的亮度降低；安全：耐冲击，抗震力强，led发的光在可见光范围内，无紫外线（UV）和红外（IR）辐射。无灯丝和玻璃外壳，没有传统灯管碎裂的问题，对人体无伤害、 无辐射；无频闪。纯直流工作，消除了传统路灯频闪引起的视觉疲劳；节能：比高压钠灯节电80%以上使用寿命：大功率LED路灯使用寿命高达50,000小时以上启动无延时。led在纳秒级，通电即达正常亮度，无须等待，消除了传统路灯长时间的启动过程；无高温，灯罩不会老化发黄。消除了普通路灯因高温烘烤灯罩使其老化发黄引起的亮度降低和寿命的缩短；绿色环保。大功率LED路灯不含铅、汞等污染元素，对环境没有任何污染色彩纯厚由半导体PN结自身产生色彩，纯正，浓厚；色彩丰富三基色加数码技术，可演变任意色彩；无不良眩光。消除普通大功率LED路灯的不良眩光所引起的刺眼、视觉疲劳与视线干扰，提高驾驶的安全性，减少交通事故的发生。柔性化好LED光源的精巧，使LED灯能适应各种几何尺寸和不同空间大小的装饰照明要求，诸如：点、线、面、球、异形式，乃至任意艺术造型的灯光雕塑；可用范围： 大功率LED在油田、石化、铁路、矿山、部队等特殊行业、舞台装饰、城市景观照明、显示屏以及体育场馆等，特种工作灯具中的具有广泛的应用前景。发光二极管（LED）是一种能把电能转化为光能的固体器件，它的结构主要由PN结芯片、电极和光学等系统组成。LED的基本工作原理是一个电光转换的过程，当一个正向偏压施加于PN结两端，由于PN结势垒的降低，P区的正电荷将向N区扩散，N区的电子也向P区扩散，同时在两个区域形成非平衡电荷的积累。由于电流注入产生的少数载流子相对不稳定，对于PN结系统，注入到价带中的非平衡空穴要与导带中的电子复合，其中多余的能量将以光的形式向外辐射，电子和空穴的能量差越大，产生的光子能量就越高。能量级差大小不同，产生光的频率和波长就不同，相应的光的颜色就会不同。共 28 页 第 8 页第二章 散热分析与设计2.1 大功率LED热的产生与传统光源一样，LED在工作期间也会产生热量，其多少取决于整体的发光效率。在外加电能量作用下，电子和空穴的辐射复合发生电致发光，在PN结附近辐射出来的光还需经过晶片(chip)本身的半导体介质和封装介质才能抵达外界(空气 )。综合电流注入效率、辐射发光量子效率以及晶片外部光取出效率等，最终大概只有3040的输入电能转化为光能，其余 6070的能量主要以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化热能。而晶片温度的升高，则会增强非辐射复合，进一步消弱发光效率。如图2.1图2.1 温度与辐射的关系2.1.1 大功率LED工作时发热的原因与传统光源一样，半导体发光二极体（LED）在工作期间也会产生热量，其多少取决于整体的发光效率。在外加电能量作用下，电子和空穴的辐射复合发生电致发光，在PN结附近辐射出来的光还需经过芯片（chip）本身的半导体介质和封装介质才能抵达外界（空气）。综合电流注入效率、辐射发光量子效率、芯片外部光取出效率等，最终大概只有30-40的输入电能转化为光能，其余60-70能量主要以非辐射复合发生的点阵振动的形式转化热能。 而芯片温度的升高，则会增强非辐射复合，进一步消弱发光效率。因为，人们主观上认为大功率LED没有热量，事实上确有。大量的热，以至于在使用过程中发生问题。加上很多初次使用大功率LED的人，对热问题又不懂如何有效地解决，使得产品可靠性成为主要问题。那么，LED究竟有没有热量产生呢？能产生多少热量呢？ LED产生的热量究竟有多大？ LED在正向电压下，电子从电源获得能量，在电场的驱动下，克服PN结的电场，由N区跃迁到P区，这些电子与P区的空穴发生复合。由于漂移到P区的自由电子具有高于P区价电子的能量，复合时电子回到低能量态，多余的能量以光子的形式放出。发出光子的波长与能量差Eg相关。可见，发光区主要在PN结附近，发光是由于电子与空穴复合释放能量的结果。一只半导体二极体，电子在进入半导体区到离开半导体区的全部路程中，都会遇到电阻。简单地从原理上看，半导体二极体的物理结构简单地从原理上看，半导体二极体的物理结构源负极发出的电子和回到正极的电子数是相等的。普通的二极体，在发生电子空穴对的复合是，由于能级差Eg的因素，释放的光子光谱不在可见光范围内。 电子在二极体内部的路途中，都会因电阻的存在而消耗功率。所消耗的功率符合电子学的基本定律： P I2 R I2（RN RP ）IVTH （2-1） 式中：RN是N区体电阻VTH是PN结的开启电压RP是P区体电阻消耗的功率产生的热量为： Q Pt （2-2） 式中：t为二极体通电的时间。 本质上，LED依然是一只半导体二极体。因此，LED在正向工作时，它的工作过程符合上面的叙述。它所它所消耗的电功率为： P LED = U LED I LED 式中：U LED是LED光源两端的正向电压 I LED是流过LED的电流 这些消耗的电功率转化为热量放出： QP LED t 式中：t为通电时间 实际上，电子在P区与空穴复合时释放的能量，并不是由外电源直接提供的，而是由于该电子在N区时，在没有外电场时，它的能级就比P区的价电子能级高出Eg。当它到达P区后，与空穴复合而成为P区的价电子时，它就会释放出这么多的能量。 Eg的大小是由材料本身决定的，与外电场无关。外电源对电子的作用只是推动它做定向移动，并克服PN结的作用。 LED的产热量与光效无关；不存在百分之几的电功率产生光，其余百分之几的电功率产生热的关系。透过对大功率LED热的产生、热阻、结温概念的理解和理论公式的推导及热阻测量，我们可以研究大功率LED的实际封装设计、评估和产品应用。需要说明的是热量管理是在LED产品的发光效率不高的现阶段的关键问题，从根本上提高发光效率以减少热能的产生才是釜底抽薪之举，这需要芯片制造、LED封装及应用产品开发各环节技术的进步。2.2 热量的传递方式各种半导体器件无论在静态还是在动态工作中，均有能量损耗。这种损耗一般以热的形式产生于PN结处，器件有源区的热量必然引起其相对于芯片其它部位和周围介质间的温度差，有温差就有热量的传递。这种传递热的基本方式是辐射、对流和传导。2.2.1 热辐射发热的物体，通过电磁波来传递能量的过程称为热辐射（这种电磁波一般位于可见光范围之外）。根据史蒂芬波尔兹曼热辐射定律，单位时间从单位半导体芯片面积上所发出的辐射能为： (2-3)其中为半导体芯片表面的黑度，一般为0.2-0.6；为斯蒂芬波尔兹曼常数，其值为；T为绝对温度（K）。半导体芯片温度一般在500K以下，依靠热辐射散出的热量是很小的。2.2.2 对流流体各部分之间，发生相对位移时所引起的热量传递过程称为对流。由于空封器件，管壳内部的气体对流传热是很微小的。而塑料器件，由于管芯和塑料直接接触，芯片周围没有流体，更不可能依靠对流传热。因此研究半导体器件内部热量传递问题，最主要的是研究热传导问题。研究管壳或散热片在空气中的传热，属于器件外部问题，主要是对流和辐射。2.2.3 热传导热量从芯片有源区传到管壳的过程称为半导体器件的热传导。从微观角度、气体、液体、金属、半导体、绝缘体，其导热机理是截然不同的。气体导热是气体分子不规则热运动相互碰撞的结果，金属是依靠电子气的自由运动传递热量的，绝缘体导热是依靠晶格的热振动，而半导体则介于金属和绝缘体之间，兼有晶格导热及载流子导热两种机构。但是从热导率的贡献来看，则主要是晶格导热。2.3 LED的热阻2.3.1 热阻的定义热阻代表半导体器件本身的热传递性能。与电阻类比，我们可以得到，热阻的物理意义是表示热传递路径上的阻力。通常将两个节点间单位热功率输运（）所产生的温度差()定义为这两个节点间的热阻，单位为/W，其数学表达为： (2-4)从表达式中我们能看出，热阻越大，散热能力就越差。很显然，怎样有效的降低热阻，是LED封装中散热问题的关键。2.3.2 热阻分析在热稳定状态下，器件散热回路的热等效回路如图2.2所示。图中，是结至壳的热阻，是壳至周围环境的热阻，是壳至散热器热阻（接触热阻）；表示结温，表示管壳温度，表示散热器温度，表示环境温度。假设该模型中，全部热量都经散热器扩散出去。于是有该大功率LED器件加上外部热沉的总热阻可以表示为从PN结到外界这路径上所有热阻之和，它类似与电路中电阻的串联。具体表示为： = (2-5) 图2.2 半导体器件热等效回路对于耗散功率小于1W的器件，可以不安装散热器，这样的总热阻为： = （2-6） 图2.3是一个典型的LED金属线路板结构示意图。由图2.3知，如暂时不考虑芯片有源层到衬底间的热阻，则芯片内部热阻网络主要由衬底的热阻；衬底与引线支架间的粘结材料的热阻；芯片支架到周围空间的热阻组成，这三个热阻构成LED芯片PN 结到空气之间的总热阻，于是： (2-7)图2.3 典型LED器件结构示意图根据上述的热阻模型，LED热阻的主要贡献在于衬底和衬底到支架间的粘合材料引起的热阻，对于大功率LED来说，要降低热阻，除了加大衬底面积（即芯片面积）外，用高导热系数材料作衬底及用高导热系数的合金材料作粘结材料是降低LED热阻的主要途径。所以，在实验设中，可以用导热系数更好的硅胶材料作衬底，以及用铜锡（AuSn） 或者铅锡（PbSn)等合金材料作为粘结材料，将芯片粘结在引线支架上，取代常规的银胶。在大功率LED封装中，由于不同的衬底材料与热沉材料的热阻不同，所以材料的选择将直接影响到器件的散热能力。降低PN结与应用环境的热阻是提高LED散热性能的有效途径。表2.1给出了LED封装结构中各组成部分常用材料的导热参数。如果我们知道材料的导热系数K，那么就可以通过下式： (2-8)来得到热阻值，式中h为导热路径上两个节点间的距离，S为物体截面积。表2.1 LED常用材料的导热系数材料导热系数（）材料导热系数（）黄铜109镍钢（Ni=1%50%）45.5-19.6铝合金（60Cu-40Ni）22.2铝合金（87Al-13Si）162纯铜398钨钢150纯铝236碳化硅350钻石800氧化铍160空气0.3硅148蓝宝石42纯铁81.1环氧树脂0.4铜钼铜复合金170（z）/210(x-y)镁156钼138银427黄金315玻璃0.65-0.71锡67在实验设计中，为了减少LED的总热阻，提高大功率LED的散热性能，应该设法减少芯片到周围环境之间的距离，或者增大散热通道的面积以及采用导热性能好的衬底或热沉材料。例如，从表2.1中可以看到，铜和铝是两种导热性能很好的材料，它们适合用于制作LED的支架与热沉。2.4 LED的结温2.4.1 结温的定义通过之前的介绍我们知道，LED的核心是一个半导体的PN结。当电流流过LED器件时，PN结的温度将上升，严格意义上说，就把PN结区的温度定义为LED的结温。由于LED芯片的尺寸较小，因此也可以把LED芯片的温度视之为结温。当LED PN结上的温度升高时，会引起电学、光学和热学性能的变化，过高的温升还会引起LED 封装材料（例如环氧树脂、荧光粉等）物理性能的变化，严重时导致LED 失效，所以如何降低结温，是研究大功率LED散热问题的关键所在。2.4.2 结温分析1) 结温对光通量的影响在LED的工作过程中，其光输出对于器件的结温有明显的依赖性，随着结温的不断升高，其光强逐渐减小，发光性能越来越差。光通量与结温的关系式为： (2-9)其中和分别表示结温为和时的光通量，K为温度系数，是和的温差。图2.4显示了这种关系。图2.4 结温与光通量的关系2) 结温对正向电压的影响正向电压是判定LED性能的一个重要参量，它的数值取决于半导体材料的特性、芯片尺寸以及器件的成结与电极制作工艺。在输入电流恒定的情况下，对于一个确定的LED 器件，两端的正向压降与温度的关系可表示为： (2-10)式中，与分别表示结温为与时的正向压降，K是压降随温度变化的系数。从图2.5中我们可以看出，当电流一定，LED PN结上的正向电压具有负温度系数特性。图 2.5 结温与正向电压的关系3) 结温与发光波长及光色的关系通常可将波长随结温的变化表示如下： (2-11)式中和分别为结温和时的波长；K是波长随温度的变化系数。峰值波长与主波长是LED 的两类发光波长，主波长则由X、Y 色度坐标决定，而峰值波长表示光强最大的波长。LED发光波长的变化是由结温的变化所引起的，将直接造成人眼对LED光色的不同识别。对于一个LED 器件来说，器件发光的波长或颜色由发光区材料的禁带宽度值直接决定。以InGaAIP 与InGaN 材料为例，它们属V 族化合物，当温度升高时，材料的禁带宽度将减小，导致器件发光波长变长，发生所谓的“红移”现象。综上所述，结温与LED的诸多性能有着紧密的联系，当结温升高时，它引起LED各项参数的变化，从而导致LED性能受到影响。所以，在LED的散热设计时，要充分考虑到结温对相关因素的影响，通过各方面的设计，从而达到热控制的目的。2.5 大功率LED封装的关键技术大功率LED封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面。这些因素彼此既相互独立，又相互影响。其中，光是LED封装的目的，热是关键，电、结构与工艺是手段，而性能是封装水平的具体体现。从工艺相容性及降低生产成本而言，LED封装设计应与晶片设计同时进行，即晶片设计时就应该考虑到封装结构和工艺。否则，等晶片制造完成后，可能由于封装的需要对晶片结构进行调整，从而延长了产品研发周期和工艺成本，有时甚至不可能。2.5.1 低热阻封装工艺对于现有的LED光效水平而言，由于输入电能的80%左右转变成为热量，且LED晶片面积小，因此，晶片散热是LED封装必须解决的关键问题。主要包括晶片布置、封装材料选择(基板材料、热介面材料)与工艺、热沉设计等。LED封装热阻主要包括材料(散热基板和热沉结构)内部热阻和介面热阻。散热基板的作用就是吸引晶片产生的热量，并传导到热沉上，实现与外界的热交换。常用的散热基板材料包括矽、金属(如铝，铜)、陶瓷(如Al2O3，AIN，SiC)和复合材料等。如Nichia公司的第三代LED采用CuW做衬底，将 1mm晶片倒装在CuW衬底上，降低了封装热阻，提高了发光功率和效率;Lamina Ceramics公司则研制了低温共烧陶瓷金属基板，并开发了相应的LED封装技术。该技术首先制备出适于共晶焊的大功率LED晶片和相应的陶瓷基板，然后将LED晶片与基板直接焊接在一起。由于该基板上集成了共晶焊层、静电保护电路、驱动电路及控制补偿电路，不仅结构简单，而且由于材料热导率高，热介面少，大大提高了散热性能，为大功率LED阵列封装提出了解决方案。德国Curmilk公司研制的高导热性覆铜陶瓷板，由陶瓷基板(AIN和 Al2O3)和导电层(Cu)在高温高压下烧结而成，没有使用黏结剂，因此导热性能好、强度高、绝缘性强。其中氮化铝(AIN)的热导率为 160W/mk，热膨胀系数为4.010-6/(与矽的热膨胀系数3.210-6/相当)，从而降低了封装热应力。 研究表明，封装介面对热阻影响也很大，如果不能正确处理介面，就难以获得良好的散热效果。例如，室温下接触良好的介面在高温下可能存在介面间隙，基板的翘曲也可能会影响键合和局部的散热。改善LED封装的关键在于减少介面和介面接触热阻，增强散热。因此，晶片和散热基板间的热介面材料(TIM)选择十分重要。LED封装常用的TIM为导电胶和导热胶，由于热导率较低，一般为0.5-2.5W/mK，致使介面热阻很高。而采用低温和共晶焊料、焊膏或者内掺纳米颗粒的导电胶作为热介面材料，可大大降低介面热阻。3.5.2 高取光率封装结构与工艺在LED使用过程中，辐射复合产生的光子在向外发射时产生的损失，主要包括三个方面：晶片内部结构缺陷以及材料的吸收;光子在出射界面由于折射率差引起的反射损失;以及由于入射角大于全反射临界角而引起的全反射损失。因此，很多光线无法从晶片中出射到外部。通过在晶片表面涂覆一层折射率相对较高的透明胶层(灌封胶)，由于该胶层处于晶片和空气之间，从而有效减少了光子在介面的损失，提高了取光效率。此外，灌封胶的作用还包括对晶片进行机械保护，应力释放，并作为一种光导结构。因此，要求其透光率高，折射率高，热稳定性好，流动性好，易于喷涂。为提高LED封装的可靠性，还要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐老化等特性。目前常用的灌封胶包括环氧树脂和矽胶。矽胶由于具有透光率高，折射率大，热稳定性好，应力小，吸湿性低等特点，明显优于环氧树脂，在大功率LED封装中得到广泛应用，但成本较高。研究表明，提高矽胶折射率可有效减少折射率物理屏障带来的光子损失，提高外量子效率，但矽胶性能受环境温度影响较大。随着温度升高，矽胶内部的热应力加大，导致矽胶的折射率降低，从而影响LED光效和光强分布。萤光粉的作用在于光色复合，形成白光。其特性主要包括粒度、形状、发光效率、转换效率、稳定性(热和化学)等，其中，发光效率和转换效率是关键。研究表明，随着温度上升，萤光粉量子效率降低，出光减少，辐射波长也会发生变化，从而引起白光LED色温、色度的变化，较高的温度还会加速萤光粉的老化。原因在于萤光粉涂层是由环氧或矽胶与萤光粉调配而成，散热性能较差，当受到紫光或紫外光的辐射时，易发生温度猝灭和老化，使发光效率降低。此外，高温下灌封胶和萤光粉的热稳定性也存在问题。由于常用萤光粉尺寸在1m以上，折射率大于或等于1.85，而矽胶折射率一般在1.5左右。由于两者间折射率的不匹配，以及萤光粉颗粒尺寸远大于光散射极限(30nm)，因而在萤光粉颗粒表面存在光散射，降低了出光效率。通过在矽胶中掺入纳米萤光粉，可使折射率提高到1.8以上，降低光散射，提高LED出光效率(10%-20%)，并能有效改善光色质量。传统的萤光粉涂敷方式是将萤光粉与灌封胶混合，然后点涂在晶片上。由于无法对萤光粉的涂敷厚度和形状进行精确控制，导致出射光色彩不一致，出现偏蓝光或者偏黄光。而Lumileds公司开发的保形涂层(Conformal coating)技术可实现萤光粉的均匀涂覆，保障了光色的均匀性，如图4b。但研究表明，当萤光粉直接涂覆在晶片表面时，由于光散射的存在，出光效率较低。有鉴于此，美国Rensselaer研究所提出了一种光子散射萃取工艺(Scattered Photon Extraction method, SPE)，通过在晶片表面布置一个聚焦透镜，并将含萤光粉的玻璃片置于距晶片一定位置，不仅提高了器件可靠性，而且大大提高了光效(60%)，如图3.6图2.6 大功率白光LED封装结构 3.5.3 阵列封装与系统集成技术经过40多年的发展，LED封装技术和结构先后经历了四个阶段，如图2.7所示。图2.7 LED封装技术和结构的四个阶段 1、引脚式(Lamp)LED封装引脚式封装就是常用的A3-5mm封装结构。一般用于电流较小(20-30mA)，功率较低(小于0.1W)的LED封装。主要用于仪表显示或指示，大规模集成时也可作为显示幕。其缺点在于封装热阻较大(一般高于100K/W)，寿命较短。2、表面组装(贴片)式(SMT-LED)封装表面组装技术(SMT)是一种可以直接将封装好的器件贴、焊到PCB表面指定位置上的一种封装技术。具体而言，就是用特定的工具或设备将晶片引脚对准预先涂覆了粘接剂和焊膏的焊盘图形上，然后直接贴装到未钻安装孔的PCB表面上，经过波峰焊或再流焊后，使器件和电路之间建立可靠的机械和电气连接。SMT技术具有可靠性高、高频特性好、易于实现自动化等优点，是电子行业最流行的一种封装技术和工艺。3、板上晶片直装式(COB)LED封装COB是Chip On Board(板上晶片直装)的英文缩写，是一种通过粘胶剂或焊料将LED晶片直接粘贴到PCB板上，再通过引线键合实现晶片与PCB板间电互连的封装技术。PCB板可以是低成本的FR-4材料(玻璃纤维增强的环氧树脂)，也可以是高热导的金属基或陶瓷基复合材料(如铝基板或覆铜陶瓷基板等)。而引线键合可采用高温下的热超声键合(金丝球焊)和常温下的超声波键合(铝劈刀焊接)。COB技术主要用于大功率多晶片阵列的LED封装，同SMT相比，不仅大大提高了封装功率密度，而且降低了封装热阻(一般为6-12W/m.K)。4、系统封装式(SiP)LED封装SiP(System in Package)是近几年来为适应整机的携带型发展和小型化的要求，在系统晶片System on Chip (SOC)基础上发展起来的一种新型封装集成方式。对SiP-LED而言，不仅可以在一个封装内组装多个发光晶片，还可以将各种不同类型的器件(如电源、控制电路、光学微结构、感测器等)集成在一起，构建成一个更为复杂的、完整的系统。同其他封装结构相比，SiP具有工艺相容性好(可利用已有的电子装装材料和工艺)，集成度高，成本低，可提供更多新功能，易于分块测试，开发周期短等优点。按照技术类型不同，SiP可分为四种：晶片层叠型、模组型、MCM型和三维(3D)封装型。 3.5.4 封装大生产技术晶片键合(Wafer bonding)技术是指晶片结构和电路的制作、封装都在晶片(Wafer)上进行，封装完成后再进行切割，形成单个的晶片(Chip);与之相对应的晶片键合(Die bonding)是指晶片结构和电路在晶片上完成后，即进行切割形成晶片(Die)，然后对单个晶片进行封装(类似现在的LED封装工艺)。很明显，晶片键合封装的效率和质量更高。由于封装费用在LED器件制造成本中占了很大比例，因此，改变现有的LED封装形式(从晶片键合到晶片键合)，将大大降低封装制造成本。此外，晶片键合封装还可以提高LED器件生产的洁净度，防止键合前的划片、分片工艺对器件结构的破坏，提高封装成品率和可靠性，因而是一种降低封装成本的有效手段。此外，对于大功率LED封装，必须在晶片设计和封装设计过程中，尽可能采用工艺较少的封装形式，同时简化封装结构，尽可能减少热学和光学介面数，以降低封装热阻，提高出光效率。3.5.5 封装可靠性测试与评估LED器件的失效模式主要包括电失效(如短路或断路)、光失效(如高温导致的灌封胶黄化、光学性能劣化等)和机械失效(如引线断裂、脱焊等)，而这些因素都与封装结构和工艺有关。LED的使用寿命以平均失效时间(MTTF)来定义，对于照明用途，一般指LED的输出光通量衰减为初始的70%(对显示用途一般定义为初始值的50%)的使用时间。由于LED寿命长，通常采取加速环境试验的方法进行可靠性测试与评估。测试内容主要包括高温储存 (100，1000h)、低温储存(-55，1000h)、高温高湿(85/85%，1000h)、高低温回圈(85-55)、热冲击、耐腐蚀性、抗溶性、机械冲击等。然而，加速环境试验只是问题的一个方面，对LED寿命的预测机理和方法的研究仍是有待研究的难题。共 28 页 第 18 页第三章 大功率LED的封装散热3.1 材料选择3.1.1 芯片的选择对于LED的芯片来说，选择怎样的衬底材料是首要问题。本实验采用大功率蓝光LED，所以可供选择的衬底材料主要有：碳化硅基底、硅基底和蓝宝石基底三种。下面我们来比较一下这三个衬底的优劣。表3.1说明了几种常用材料的导热系数。表3.1 几种常用封装材料的导热系数材料蓝宝石硅碳化硅导热系数(W/mk)35-46148-150490首先，对碳化硅衬底进行分析，其示意图如图3.1所示。采用这种衬底制作的器件的导电和导热性能（导热系数为490W/(mK)）都非常好，它的导热性能是蓝宝石的10倍以上。（蓝宝石本身是热的不良导体，并且在制作器件时底部需要使用银胶固晶，这种银胶的传热性能很差）碳化硅衬底的芯片电极为L型（Laterial-contact，水平接触），两个电极分布在器件的表面和底部，所产生的热量可以通过电极直接导出；同时这种衬底不需要电流扩散层，因此光不会被电流扩散层的材料吸收，这样又提高了出光效率。但是碳化硅制造成本较高，实现其商业化还需要降低相应的成本。图3.1 一种采用蓝宝石和碳化硅衬底的GaN芯片的对比示意图其次，再分析硅衬底。目前市面上有部分LED芯片采用硅衬底。硅衬底的芯片电极有可能采用两种接触方式，它们分别为L接触和V接触，简称为L型电极和V型电极。通过这两种接触方式，我们可以知道LED芯片内部的电流可以是横向流动的，也可以是纵向流动的。由于电流可以纵向流动，所以增大了LED的发光面积，进而