高功率LED散热技术.doc

高功率LED散热技术研究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，Tele-mail: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)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 TechnologyZHONG 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 cooling0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 封装结构研究蓝宝石衬底散热管座蓝宝石衬底散热管座硅基1.1硅基倒装芯片结构图1.芯片的正装结构和倒装结构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6070K/W之间2。Lianqiao Yang3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.微泵 水流 热沉 风扇 LED芯片 基板 图3. 微泵浦结构LED封装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/W4。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 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/ (mK), 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/ (mK)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/ (mK)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-HoKim7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/ (mK), 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AlSiC）可以将金属材料（Al）的高导热性和增强体材料（SiC）的低热胀系数结合起来，具有热导率高、热膨胀系数可调、比重小、强度和硬度高的优点，已开始应用于大功率LED封装中，并且开发出许多新型的导热基板9。目前一些著名的半导体照明公司如 Lumileds，Nichia，Cree，Osram，UOE，Toyoda Gosei， Lamina都采用了金属芯基板，制备方法是将一种热传导系数高的金属 (如铝为230 W/ (mK), 铜为400 W/ (mK) 装进印刷电路板内。UOE采用了钢芯覆搪瓷，OSRAM推出了单芯片“Gokden Dragon”系列LED，将芯片用红外或回流焊焊接在铜合金热扩散层上，热扩散层再焊接在铝芯MCPCB上，铝芯表面介电层为热增强聚合物，热传导系数可达1138W/ (mK)，热沉与MCPCB直接接触，具有良好的散热效果。Lamina Ceramics 公司自行研制了低温共烧陶瓷金属基板 (LTCC2M)，材料热传导系数达到170 W/ (mK)，并开发了相应的LED封装技术，实现了LED封装导热性能的突破。德国Curmilk 公司研制出高导热性覆铜陶瓷板(DBC)，用铜箔在高温高压下直接键合到陶瓷基板(AlN或Al2O3)表面上烧结而成，没有使用黏结剂，导热性能好，强度高，绝缘性强，且便于装配，热膨胀系数为41010-6/K，与硅的热膨胀系数(约为31210-6/K) 相当，被认为是半导体封装的理想材料。王耀明10等提出一种LED薄膜集成封装结构，利用磁控溅射技术制备电极层和绝缘层，靶材采用Cr、Cu、Ti、Ag以及Ni2Cu合金等，其中所用Ni2 Cu合金层靶材按多种配比采用真空熔炼制得。采用动态电学法测试薄膜散热基板封装在LED芯片中，内部热层为0.8K/W，芯片到金属散热器热阻为1.2 K/W，总热阻为49.3K/W；J.A.Curran等利用离子微弧氧化处理生成的氧化铝膜热导率在 2 W/ (mK)左右11；李华平等利用微弧氧化法生长的氧化铝(导热率为2 W/ (mK)薄膜厚度为40m和20m时，热阻分别为l1.3 K/W和9.1K/W12。总之，散热基板在LED散热和成本中具有举足轻重的作用，寻找散热性能更好、成本更低的基板及其工艺是LED散热研究的重要内容。2.3 液态金属传热YueguangDeng13等利用GaIn20液态合金(Ga80%,In20%)作为冷却剂，其熔点为16，热导率为0.599 W/(mK)，实验装置如图5所示。通过与水作为冷却剂作比较，当GaIn20液态合金作为冷却剂时LED基板温度为13，而用水冷却时为22，可见这种液态合金有望用于高功率LED散热。图5. GaIn20液态合金冷却系统3 外部散热方案研究高功率LED工作中大约80%的能量转换成为热量，往往依靠铝合金翅片被动散热方式往往不能解决散热问题。因此，在LED外部，往往还需要主动散热方式，目前应用较多的为热管散热，而半导体制冷也成为研究热点。3.1热管散热热管是1963年美国LosAlamos国家实验室的G.M.Grover发明的一种传热元件，它充分利用了热传导原理与致冷介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。图6为热管散热原理，它是利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导。热管内部是被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发，管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一段为蒸发端，另外一段为冷凝端，当热管一段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸气在微小的压力差下流向另外图6.热管散热原理一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。在LED散热热管中，研究较多的是环路热管和平板热管。最早应用于太空的环路热管(Loop Heat Pipe,LHP)技术近来成为大功率LED散热的一个先进技术。台湾的胡胜雄、黄秉钧等人已经先后将蒸发器为圆柱形的环路热管应用于LED的散热。Xiangyou Lu 14，15分析了照明用大功率LED封装的散热特性，提出了一种用于大功率LED系统散热的环路热管，研究了热负荷、倾角、加热方式等对热管的起动性、均温性、热阻等的影响，所设计的热管散热器的热阻在0.19-3.1K/W之间，蒸发器的均温性被控制在1.5以内，满足大功率LED封装的均温性要求，在热负荷为100W时，蒸发器的温度被控制在100以下。鲁祥友16等比较了扁平热管和铜板两种散热方式下LED的结温和热阻的热特性，在输入功率为3W时，热管冷却LED的结温为52，而铜板冷却LED的结点温度为83，对应的系统总热阻分别为8.8K/W和19K/W。Lan Kim17将平直热管用于LED阵列散热，在安装了热管、风速为7m/s时芯片到环境热阻为1.79K/W；在未安装热管、风速为7m/s时芯片到环境热阻为2.81K/W。目前，热管技术已经在LED路灯及隧道灯中得到初步应用，其散热性能和稳定性还处于进一步研究中。3.2 半导体制冷半导体制冷又称作温差电制冷，或热电制冷，它是利用热电效应（即帕尔帖效应）的一种制冷方法。半导体制冷器的优势在于制冷密度大、与IC工艺兼容、无运动部件，没有磨损、并且结构紧凑。唐政维18等设计了一种采用半导体致冷技术散热的集成大功率LED，这种利用珀尔贴效应设计的大功率LED散热封装结构，不但可以从根本上解决大功率集成LED器件的散热问题，还可以使LED器件在高温、震荡等恶劣环境中正常工作。Chun Kai Liu19等将半导体制冷器件分别用于1W单芯片封装和双芯片封装，最大结温分别为30.6和33.4，LED的发光效率约是没有热电制冷器的1.3倍，显示出优越的散热性能。田大垒20等将热电制冷器件用于大功率LED 阵列封装模块散热，能够显著降低器件的工作温度，与不采用热电制冷器相比，基板温度能够降低36%以上，光学性能测量表明LED阵列模块的发光效率达到30.18lm/W。总之，半导体制冷技术在LED散热中已经初步显示出良好的散热性能，但是由于其自身需要消耗电能而使得LED灯具节能效果下降，所以还处于研发阶段。4 结论与展望随着高亮度LED的需求与发展，输入功率的提高导致高密度的热流量，散热问题已经成为LED照明行业发展的瓶颈。本文从LED封装结构、散热材料、以及外部散热方案进行研究。笔者认为，随着芯片制备技术的进步，设计利于散热的芯片结构、封装结构，采用导热性能能更好的材料，设计高效地外部散热方案是解决散热问题的根本。金属复合材料、纳米复合材料、热管技术、半导体制冷将是LED散热的发展趋势。随着科学技术的发展，必会出现新工艺，新材料，解决LED照明中散热问题。参考文献1Adam Christensen,Samuel Graham.Thermal effects inpackaging highpower light emitting diode arrays. 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