提高小功率白光LED热特性的新方法(已发表)

1、 本文由wang_jie_wei贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 电 子 元 件 与 材 料 ELECTRONIC COMPONENTS AND MATERIALS 研究与试制 提高小功率白光 LED 热特性的新方法 宋国华 ，王玮 ，姜斌 ，缪建文 ，纪宪明 (1.南通大学理学院，江苏 南通 226007; 2南通大学电子信息学院，江苏 南通 226019 3. 南通大学化学化工学院，江苏 南通 226007) 摘要: 提出了一种基于环氧树脂中添加氮化硼 （BN） 填料的改进型 LED 摘要: 在传统直插式 LED 封装方法的基础上，

2、 封装工艺。 测量了 BN 填料质量比与导热系数关系， 利用有限元分析软件分析和实验测试了采用改进封装工艺 5 mm 白光 LED 的芯片结温、 热阻等参数， 并与传统封装方法的白光 LED 进行比较。 结果表明： 采用改进型封装结构 5 mm 白光 LED 结温比传统封装方式下降 4.5，热阻下降了 17.8%，同时提高了初始光通量，降低了光衰。 关键词: 关键词: 白光 LED；氮化硼；热阻；有限元热分析 中图分类号: 中图分类号: TN383 文献标识码: 文献标识码:A 文章编号: 文章编号: 1 1 2 3 1 New method to improve the thermal ch

3、aracteristics of low-power white LED SONG Guohua1 ,WANG Wei1, JIANG Bin2,MIAO Jianwen3,JI Xiangming1 (1. School of Science, Nantong University, Jiangsu Nantong 226007; 2. School of Electronics and Information, Nantong University, Jiangsu Nantong 226007; 3. School of Chemistry and Chemical Engineerin

4、g, Nantong University, Jiangsu Nantong 226007, China) Abstract: On the base of traditional packaging technique of through-hole LED, an improved packaging using epoxy resin doped with BN fillers was presented. Thermal conductivity of epoxy resin doped with different mass ratio of BN fillers was studi

5、ed. Through thermal analysis based on ANSYS software for 5 mm white LED, the junction temperature and heat resistance of improved packaging were compared with traditional technique. While increasing the initial flux, reducing the lumen, the result shows that the improved packaging 5 mm white LEDs ju

6、nction temperature drops by 4.5, and heat resistance is 17.8% lower than tradition ones. Key words: white LED; BN；heat resistance；finite element thermal analysis 近年来，随着 LED 技术的飞速发展及其应用领 域的不断拓宽，高水平的 LED 封装技术成为巨大的 市场诉求。 作为 LED 产业下游链的 LED 封装， 在完 成驱动电流的输入输出、保护芯片避免机械、热、 潮湿等外部冲击的同时，芯片在正常工作条件下应 保证其温度不超过特定阈

7、值，因为芯片结温升高到 一定的值后，会发生明显的寿命缩短、光效下降等 现象，甚至会导致 LED 猝灭 13 艺流程及市场价格因素，直插式 5 mm白光LED目 前仍占有相当大的市场份额，因此研究新型封装结 构及方法，提高直插式 5 mm白光LED散热能力具 有重要的现实意义。本文在不改变小功率直插式 5 mm白光LED封装结构、工装夹具和封装设备的 前提下，在环氧树脂封装材料中引入了散热性能良 好的氮化硼（BN）填料，提高封装材料的散热能力， 采用二次封装流程，制作出热特性优良的直插式 。 直插式白光LED由于金属支架散热能力有限， 同 时封装所用环氧树脂可近似看作绝热材料，这使得 LED芯片

8、极易产生热量集聚现象， 导致芯片的结温升 高，降低LED多项性能参数34。由于生产设备、工 5 mm白光LED。 1 1.1 实验 主要材料与仪器 宋国华等:提高小功率白光 LED 热特性的新方法 六方氮化硼粉:辽宁营口辽滨精细化工有限公 司产品。环氧树脂封装材料:上海固德科技科技有限 公司生产的6000A/B 环氧树脂电子灌封胶。 Sartorius-BSA124S 型 高 精 度 分 析 天 平 ， DZF6030A型真空干燥箱， ZW900LED型光电色参数 综合测试仪，TC-1型导热系数测定仪。 1.2 试样制备 在填料选择方面，为适应 5 mm白光LED封装 要求，填料应为白色、绝缘

9、、且具有优良的机械加 工性能，相对传统廉价的导热材料氧化铝，六方氮 化硼具有导热性能更佳、硬度低易加工等优点；而 导热效果同样优异的材料氮化铝， 存在着硬度过高、 颜色偏黄/灰、机械加工困难，且价格昂贵等缺点， 故不予采用。 将环氧树脂6000A料和B料按质量比11混合， 向环氧树脂中加入BN粉末填料， 填料分别为试样总 质量的8%-60%。充分搅拌后真空除泡，温度125 下固化45分钟， 然后打磨制成直径13mm、 厚度4mm 规格含BN填料的环氧树脂圆片， 用以测量混合材料 的导热系数。 传统直插式 5 mm白光LED外部均使用环氧树 脂封装，而本实验对传统工艺加以改进，以反射碗 为界线，

10、反射碗以上部分采用传统工艺用透明环氧 树脂封装，待环氧树脂固化后在反射碗下半部分用 掺BN环氧树脂材料进行封装。图1(a)是传统封装结 构示意图，图1(b)是改进后的封装结构示意图。 （b）改进封装结构 图1 传统封装（a）和改进后封装（b）结构示意图 Fig.1 Structure chart of traditional (a) and improved (b) packaging 2 结果与分析 （a）传统封装结构 2.1 导热系数与 质量百分比关系 导热系数与BN质量百分比关系 图2是含BN填料环氧树脂圆片的导热系数与BN 填料质量比关系图。添加BN填料前环氧树脂的本征 导热系数仅为0

11、.23W/m·K5， BN的本征导热系数高达 6 121 W/m·K 。加入不同质量比BN填料后，材料导热 系数会有不同程度的提高，从图1中可以看出不同掺 混比例对应导热系数值的变化趋势。BN填料含量在 20%之前趋势平缓，其原因可能是在填加BN填料粉 末相对较少的情况下，绝大多数BN填料颗粒之间未 有直接接触，彼此之间包覆着环氧树脂，因环氧树 脂本身导热系数很低，使得各导热填料颗粒之间的 界面热阻变大，从而使试样整体的导热性能维持在 一个较低的水平上，导致试样的导热系数增加相对 较慢。当BN填料含量在20%50%之间时，导热系 数增加明显加快，是因为随着导热填料BN 粉末

12、填充 质量比的增加，环氧树脂中的BN填料颗粒的接触机 会逐渐增加，这样在试样中逐渐形成了由 BN填料颗 粒搭成的导热“网络”，热流沿这一“网络” 迅速传递， 从而使试样的导热系数有了显著的提高6，当BN填 料含量为48.7%时， 导热系数达到最大值3.35W/m·K， 是环氧树脂本征导热系数的16倍以上。但当BN填料 含量大于50%之后导热系数急剧下降，其原因是：随 着BN含量的增加， 试样中BN与环氧树脂由于抽真空 后仍存在气泡甚至间隙，不能形成良好的导热“网 络”，以致导热性能急剧下降。 宋国华等:提高小功率白光 LED 热特性的新方法 3.40 3.35 Thermal con

13、ductivity cofficient / W/mK 3.30 3.25 3.20 3.15 3.10 3.05 3.00 2.95 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Mass ratio of BN fillers 图2 导热系数与BN填料质量比的关系 Fig.2 Relationship between thermal conductivity coefficient and different mass ratio of BN fillers （b）改进封装 图3 传统封装（a）和改进封装（b）模型网格划分图 Fig.3 Mesh generation of tr

14、aditional (a) and improved (b) packaging 环境温度为 24 ，芯片热源的功率为 0.06 W， 热生成率设定为 85%。金属引脚作为主要散热源， 其外表面空气对流系数设定为 8W/m 2·K，改进封装 BN 材料导热系数设定为 3.35W/m·K。 LED 内部材料 之间通过热传导进行传热，服从傅里叶传热定律； 模型外部热量通过与空气自然对流进行散热，服从 牛顿冷却定律8。图 4 中（a）和（b）分别为传统封 装和改进封装的直插式 5 mm 白光 LED 温度分布云 图。由两种封装结构的热模拟结果对比可知：在环 境温度为 24的工作条

15、件下，添加了 BN 填料的改 进封装结构理论上可降低 LED 芯片工作结温约 4， 原因在于传统封装主要依靠阴极引脚散热，而改进 封装由于反射碗以下均采用含 BN 填料的环氧树脂， 在引脚周围增加了有效的空气对流界面，同时加强 了阴极阳极引脚的协同散热，降低了 LED 芯片的工 作温度和白光 LED 器件的热阻。 （a）传统封装 （a）传统封装 宋国华等:提高小功率白光 LED 热特性的新方法 A 组 传 统 封 装 白 光 LED 的 初 始 光 通 量 为 5605mLm，经过 20 天的连续电流应力加速老化，衰 减为 3217 mLm，是初始光通量的 57.4%；而 B 组改 进封装白光

16、 LED 初始光通量为 5838mLm，20 天加 速老化后，衰减为 3615 mLm，是初始光通量的 61.9%。采用改进封装的直插式 5 mm 白光 LED 由 于芯片散热环境的改善，使得结温小于传统封装方 式的结温，不仅使初始光通量提升，而且光通量衰 减速率得以下降。 3 结论 （b）改进封装 图4 传统封装（a）和改进封装（b）热模拟分布图 Fig.4 Temperature distribution for traditional (a) and improved (b) packaging 通过对小功率 LED 封装工艺的改进，采用导热 能力良好的 BN 材料作为导热填充剂， 在环

17、氧树脂材 料中掺入合适比例的 BN，采用二次封装流程，制作 出芯片结温、引脚温度和热阻均低于传统封装方式 的直插式 5 mm 白光 LED， 而且提高了初始光通量， 降低光衰，延长了发光二极管寿命。该改进型封装 方法不需要改变传统封装的设备和工装夹具，方法 简单，易于推广。、20mA额定驱动电 流下测量白光LED稳定引脚温度、结温，计算热阻， 结果见表1，其中结温的测试原理和装置见参考文献 912 ，测量数据结果为3个样品数据的平均值。 表 1 A、B 两组 LED 温度和热阻参数对照表 Tab.1 LED temperature and heat resistance of A and B

18、samples 将实测LED引脚温度及计算所得芯片结温与图 4中ANSY热模拟仿真数据进行对比，发现二者数据 基本吻合，从而验证采用改进封装的直插式 项目 A组 B组 环境温 度() 24 24 引脚温 度() 33.5 30.0 芯片温 度() 44.5 40.0 热阻 (/W) 324.4 266.7 参考文献 Burgess. LED update: Alternate packaging improves white LEDsJ. Photonics Spectra, 2005, 39(7): 118-119. 2 Jun-ho Yum, Soo-Yeon Seo, Seonghoon

19、 Lee, et al. Y3Al5O12:Ce0.05 phosphor coatings on gallium nitride for white light emitting diodesJ. Journal of the Electrochemical Society, 2003, 150(2): H47-H52. 3 钱可元, 胡飞, 吴慧颖, 等. 大功率白光 LED 封装技术的研究 J. 半导体光电, 2005, 26(2): 118-120. 4 虞倩倩, 梁超, 何锦华. 白光 LED 封装工艺研究 J. 中国照明电器， 2010,1,16-18. 5 张秀菊, 李波, 林志丹, 等. 电子封装用复合导热绝缘环氧胶粘剂的 研制 J. 绝缘材料, 2009,42(I ),1-4. 6 International Organization for Standardization. MIL-STD-750D Notice 3 Method 3101.3 Thermal Impedance(Response) Testing of Diodes S. 2006. 7 王立彬, 陈宇, 刘志强, 等. 大功率倒装结构 LED 芯