大功率固态照明热处理技术进展.docx

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大功率固态照明热处理技术进展

大功率固态照明热处理技术进展

（2007-09-0710:

06:

24）

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分类：

LED等工业散热技术

1、固态照明简述

   通常，我们将采用了LEDs、OLEDs或发光聚合物技术的照明应用称作固态照明。

固态照明是近百年来照明技术的真正革命。

由于半导体材料将电能直接转化为光，所以固态照明具有与传统照明光源最大的不同在于它的光线不会产生热量。

LEDs在它30多年的发展历史中，一直主要作为指示应用，而直到最近才有所突破，在一些照明领域开始局部的应用。

   固态照明的研究领域包括七个方面：

基础结构、封装结构、寿命、量子效率、可靠性和可控性、降低造价。

本文所介绍的主要着眼于封装结构中的热处理技术。

   本文所称大功率固态照明光源，仅限于单元光通量在50流明以上的照明用白光LED，即包括高亮度白光LED（单元光通量大于50lm小于250流明）和超高亮白光LED（单元光通量大于250流明）。

   2、固态照明的热问题及其影响

   为了适应通用照明的需要，固态照明光源迫切需要解决单元光通量的问题。

图2.1表明，近年来，LED单元光通量的增幅还是很大的。

然而每单元光通量的增加伴随着每单元发热量的增加，而热量的增加又带来相应的问题。

主要表现为几个方面：

发光效率随着结温的升高而降低、光色随着结温的升高而漂移、LED封装结构随着热量的增加而产生机械强度问题、为了散热使得单元的体积增加。

   固态照明光源热的问题关系重大，据有关资料分析，大约70%的故障来自于LEDs的温度过高，并且在负载为额定功率的一半的情况下，温度每升高20oC，故障率就上升一倍。

   2.热的产生

   与传统光源一样，固态照明光源工作期间也会产生热量，其多少取决于量子效率。

我们可以回顾一下固态照明光源的热量产生机制。

如图2.2、图2.3所示，在外加能量作用下，电子和空穴的辐射复合而发生的电致作用将能量的30-35%转化为光能（量子效率），而非辐射复合发生的点阵振动将其余65-70%的能量转化为热能。

   2.2热的影响

    2.2.1

   LED对温度敏感，一般来说，结温要保持在125oC以下以避免性能下降甚至失效。

事实上，即使结温在125oC以下，寿命和输出光通也会随着温度的升高而下降。

如何保持LED工作温度较低以获得更高的可靠性和光学指标就取决于基板材料的热传导性能。

图2.4表明了结温与发光效率的关系。

   2.2.2

   同时，结温与LED的光色也有关系（如图2.5所示）。

一般而言常温下的光色最为纯正，而结温升高或降低都会造成光色的漂移。

不同波长的光对温度的敏感性不同，绿光的敏感性最高，蓝光最不敏感。

无论如何，光色的漂移将使得色温难以稳定，影响白光LED的光学性能。

   2.3  LED热的传导和疏散

   通常来说，固态照明光源需要解决如下几个环节的散热问题：

   其一、芯片结到外延层；

   其二、外延层到封装基板；

   其三、封装基板到外部冷却装置。

   这三个环节构成固态照明光源热传导的通道，热传导通道上任何薄弱环节都会使热导设计毁于一旦。

   结点到周围环境的热传导方式可分为三种：

   1、传导。

热量是通过逐个原子传递的，故绝对不能采用高界面热阻的材料。

   2、对流。

热量通过流转的液体（空气、水）扩散和对流，再从散热器传递到周围环境中去，故不要限制或阻止对流。

   3、辐射。

热量依靠电磁波经过液体、气体和真空传递，故需要高辐射材料。

   总之，为了取得更好的导热效果，首要的是，三个环节上都需要采用热导系数高的材料。

   2.4热参数匹配

   高热导性能使得LED芯片结的热量可以较快地传导和散发出去，然而材料的热胀冷缩也是LED封装的一个值得考虑的问题。

为了更可靠起见，还必须考虑材料的热膨胀系数（TCE）的匹配问题。

LED外延材料与封装材料之间热膨胀系数（TCE）的差异可能导致LED芯片和封装之间的开裂，进而导致发光失效或导热减弱。

   众所周知，大功率LED结温相当高，在基材上形成的热压分布是不均匀的，如图2.6所示

因为不同材料的热膨胀系数有较大的差异，在一定的温度下，热膨胀系数的差异就有可能导致LED封装结构的破裂。

图2.7显示了这一问题的后果。

   热压超过抗张强度的极限，连接芯片的材料内部就会发生机械裂缝，导致焊层分离。

   由于TCE不匹配的问题，超过350摄氏度，就会发生开裂。

   表2.2列出了常见材料的TCE值。

由表可见，铜和铝等常用封装材料与常见LED外延材料相比，其TCE有较大的差距，容易造成封装结构的损坏。

美国Lamina陶瓷公司研究开发的Cu/Mo/Cu（铜/钼/铜复合金属）的TCE与半导体外延材料的非常接近，是比较理想的基板材料。

   3、热处理的技术进展

   LTCC-M技术

   3.1.1封装技术简况

   这里我们简要回顾一下现有的一些封装技术。

   标准的FR-4玻璃纤维多层基材对高频信号的衰减太大，而且散热不好。

聚四氟乙烯基材频谱相应范围较广，但是价格很高，而且热导系数很低，与半导体材料的热参数也很不匹配。

   高温烧结陶瓷（HTCC）性能相比聚四氟乙烯强得多，但是价格奇高。

同时由于HTCC的烧结温度约在1,400oC到1,500oC之间，电路层必须采用高熔点金属敷设，这就大大增加了电阻（与贵金属相比），严重影响电路性能。

   低温烧结陶瓷（LTCC）烧结温度约在950oC，低于银和金的熔点，更可以广泛采用各种电阻和绝缘材料一次性烧结模成无源器件。

此外，还可以采用多层结构直接植入元器件，而且适合表面贴装和芯片倒装。

更为可贵的是LTCC具有优异的热导性能。

不过，LTCC烧结时的收缩很难预测，常常需要不断试验才能达到最终的设计要求。

   3.1.2LTCC-M技术及其在大功率LEDs封装中的使用

   基于低温烧结陶瓷技术发展出来的金属基低温烧结陶瓷（LTCC-M）将陶瓷直接绑定于金属上，据此开发的电路具有一系列优点。

   首先，烧结时所开的腔穴直达金属基层，可以在上面直接焊装元器件，这样就无须元器件自身背负散热器，因为LTCC-M的金属层的热导系数高达170 W/mC，可以很快把热传导出去。

   其次，复合金属基板在烧结时X-Y平面的收缩率仅为0.1%（传统的LTCC约为12.7%~14.8%），如此微乎其微的收缩率奠定了制作大面积（可达40cm×40cm）基板的可能性。

   另外，LTCC-M技术在封装尺寸方面提供了多种可能。

比如，可以堆叠24层，层厚0.05~0.25mm（标准为0.1mm），每层可以布线或植入无源元件。

如此拥有复杂电路或有若干分立电路的器件可以封装在一个较小的体积内。

   此外，大面积基板（40cm×40cm）可以集成高密度的元件，拥有更高的翘曲强度。

同时，LTCC-M技术可采用大晶圆工艺，可以一次性烧结多个电路再予切分。

   美国Lamina公司将所开发的金属基多层低温烧结陶瓷技术应用于LEDs封装，在热处理方面与传统封装方法相比有着大幅度的改善。

传统塑料封装工作温度一般不超过70oC，而采用LTCC-M技术，由于其热到系数高达170-W/mK，工作温度可高达250oC。

另外，由于LED芯片直接焊装在Cu/Mo/Cu复合金属基板上形成高密度阵列，目前可以取得90lm/cm2的光密度。

图3.1为Lamina公司封装的大功率LED单元结构示意图，图3.2为LEDs阵列结构。

   LTCC-M技术可应用于封装大多数厂家的各种LED芯片。

   3.1.3LTCC-M

   Lamina开发了LTCC-M新型封装技术，通过提高热导系数、降低热膨胀系数不匹配度来增强LED的热处理性能。

LED芯片直接焊装在镀镍的Cu/Mo/Cu复合金属基板上，这种基板具有超高的热导能力和耐热性能（参见表2.1）。

在X-Y平面上的热导系数达到210W/mC，Z轴方向达到170W/mC。

   图3.3为LTCC-M技术封装的LED的导热通道和温度分布示意图。

   与传统的固态照明光源的散热通道相比，LTCC-M技术的散热环节减少了。

参照图3.4可知，由于芯片直接焊装在复合金属基板上，散热效率更高。

芯片到封装基板之间的热阻系数仅仅相当于传统方式的1/6。

   LTCC-M技术不仅在散热效率方面有了可观的提高，更主要的是，在热参数匹配方面做出了突出的贡献。

首先我们对比一下不同材料的热压分布情况。

由图3.5可知，Cu/Mo/Cu复合金属基材的热压分布非常均匀，中心区域最高不超过9000psi，而角落的热压比中心区域更低。

作为参照的铝基材，中心区域达8000psi，而角落热压分布急剧增加，高达30000psi。

由于TCE不匹配导致热压分布不均匀会引起芯片结的错位。

芯片越大，错位越多。

根据实测，错位情况如表3.1，可见LTCC-M技术对LED的可靠性和寿命贡献很多。

   3.2系统热处理设计简述系统热处理设

   根据LTCC-M的散热环节可知，发光引擎内部的热处理设计固然非常重要，模组层级上的以及灯具层级上的散热装置对于大功率固态照明来说也极为重要。

依据散热设计的如下基本公式：

   125OC是结温的典型值，

   安全温度阀值一般来说取10，

   TR发光引擎是LED封装结构自身的热阻，

   TR界面是LED封装结构与散热器之间的界面热阻。

   从公式可知，可控制的对散热器界面热阻影响最大的是发光引擎热阻和界面热阻，其中发光引擎的热阻基于封装结构的设计，属于内部热处理环节，而界面热阻属于外部热处理环节，相对容易解决。

   就界面热阻而言，空气间隙是最大的敌人。

从图3.6看，尽管发光引擎与散热器之间肉眼观察的间隙极小，但是由于材料表面固有的平整度问题，实际上还是存在着微细的气穴。

由于空气的界面热阻很大，不利于热扩散，故大大增加了整体界面热阻。

   粗略分析，降低界面热阻的方法可有：

   增加界面材料的平整度，减小气穴容积，降低空气的存量。

   施加更高的压力。

从图3.7可见，几乎对所有材料而言，接触压力越大，则其热阻越小。

   填充导热材料，驱除空气并以更高的导热性能传递和散发热量。

常见的填充材料包括：

焊料、导热油脂、绝缘胶垫、导热环氧树脂、相变材料等等。

   3.2.2

   作为最后一个环节，散热器本身也有关整个系统的热处理效果。

在自然对流情况下，散发的热能和与环境温度的温差大致成正比，如图3.8。

而在强制对流情况下，对流速度越快，则散热器本身的热阻越小，如图3.9。

   此外，散热效果与散热器的几何形状和散热方向也有关系。

   不同几何形状和方向的热传递系数和散热效果如表3.2所示。

散热器散热片的朝向对散热效果的不良影响在非固定灯具上难以避免，需要在灯具设计时确定其使用场所和安装方位角度等等因素。

   表3.2散热器的形状和朝向与散热性能的关系

   4、结论

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