解決大功率LED散熱問題的3 種封裝結(jié)構(gòu)和4種封裝材料

文章來源:恒光電器

發(fā)布時(shí)間:2015-10-29

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LED的發(fā)光原理是直接將電能轉(zhuǎn)換為光能，其電光轉(zhuǎn)換效率大約為20％—30％，光熱轉(zhuǎn)換效率大約為70％—80％。隨著芯片尺寸的減小以及功率的大幅度提高，導(dǎo)致LED結(jié)溫居高不下，引起了光強(qiáng)降低、光譜偏移、色溫升高、熱應(yīng)力增高、元器件加速老化等一系列問題，大大降低了LED的使用壽命。結(jié)溫也是衡量LED封裝散熱性能的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，當(dāng)結(jié)溫上升超過最大允許溫度時(shí)(一般為150℃)，大功率LED會(huì)因過熱而損壞。因此在大功率LED封裝設(shè)備中，散熱是限制其發(fā)展的瓶頸，也是必須解決的關(guān)鍵問題。

大功率LED封裝散熱分析

下圖為LED封裝結(jié)構(gòu)圖，由圖分析出該封裝散熱途徑如下：(1)LED芯片—封裝透鏡—外部環(huán)境(2)LED芯片—鍵合層—內(nèi)部熱沉—散熱基板—外部環(huán)境(3)LED芯片—金線—電極—外部環(huán)境。由于封裝體內(nèi)部各材料的導(dǎo)熱系數(shù)不同，因而大部分熱量都是通過第二條散熱途徑傳至外部環(huán)境。

LED封裝器件的總熱阻由各環(huán)節(jié)的熱阻串聯(lián)而成可表示為：

Rtotal=Rchip+Rchip-TIM+RTIM+RTIM-Cu+RCu+RCu-MCPCB+RMCPCB+RMCPCB-air

其中，Rchip為芯片熱阻，Rchip-TIM為芯片與鍵合層之間的界面熱阻，RTIM為鍵合層的熱阻，RTIM-Cu為熱界面材料與內(nèi)部熱沉之間的界面熱阻，RCu為內(nèi)部熱沉的熱阻，RCu-MCPCB為內(nèi)部熱沉與金屬線踏板，RMCPCB為金屬線踏板的熱阻，RMCPCB-air為金屬線踏板到空氣的熱阻。

通過上式分析可知LED封裝器件的總熱阻由多個(gè)熱阻串聯(lián)而成，大量研究表明Rchip-TIM+RTIM+RTIM-Cu占總熱阻的絕大部分，是影響總熱阻的關(guān)鍵因素，因而封裝材料(尤其是熱界面材料)的選擇對(duì)總熱阻的影響至關(guān)重要。此外，封裝結(jié)構(gòu)對(duì)大功率LED封裝散熱也有一定的影響。

影響大功率LED封裝散熱的主要因素

散熱問題是大功率LED封裝急需重點(diǎn)解決的難題，散熱效果的優(yōu)劣直接關(guān)系到LED路燈的壽命和出光效率。有效地解決大功率LED封裝的散熱問題，對(duì)提高大功率LED封裝的可靠性和壽命具有重要作用。為了解決大功率LED封裝中的散熱問題最直接的方法莫過于選擇合適的封裝結(jié)構(gòu)和封裝材料來降低LED封裝的內(nèi)部熱阻，確保熱量由內(nèi)向外快速散發(fā)。

2.1 封裝結(jié)構(gòu)

為了解決大功率LED封裝中的散熱問題，家用照明，國內(nèi)外的業(yè)界人士開發(fā)了多種封裝結(jié)構(gòu)。

2.1.1 倒裝芯片結(jié)構(gòu)

對(duì)于傳統(tǒng)的正裝芯片，電極位于芯片的出光面，因而會(huì)遮擋部分出光，降低芯片的出光效率。同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)的PN結(jié)產(chǎn)生的熱量通過藍(lán)寶石襯底導(dǎo)出去，藍(lán)寶石的導(dǎo)熱系數(shù)較低且傳熱路徑長，因而這種結(jié)構(gòu)的芯片熱阻大，熱量不易散發(fā)出去。從光學(xué)角度和熱學(xué)角度來考慮，這種結(jié)構(gòu)存在一些不足。為了克服正裝芯片的不足，2001年Lumileds Lighting公司研制了倒裝結(jié)構(gòu)芯片。該種結(jié)構(gòu)的芯片，光從頂部的藍(lán)寶石取出，消除了電極和引線的遮光，提高了出光效率，商業(yè)照明，同時(shí)襯底采用高導(dǎo)熱系數(shù)的硅，大大提高了芯片的散熱效果。

2.1.2 微噴結(jié)構(gòu)

Sheng Liu 等人提出了一種微噴結(jié)構(gòu)系統(tǒng)來解決了大功率LED的散熱問題。在該密封系統(tǒng)中，3c認(rèn)證，流體腔體中的流體在一定的壓力作用下在系列微噴口處形成強(qiáng)烈的射流， led亮化工程，該射流直接沖擊LED芯片基板下表面并帶走LED芯片產(chǎn)生的熱量，在微泵的作用下，商業(yè)照明燈具，被加熱的流體進(jìn)入小型流體腔體向外界環(huán)境釋放熱量，使自身溫度下降，再次流人微泵中開始新的循環(huán)。這種微噴結(jié)構(gòu)具有散熱效高、LED芯片基板的溫度分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，行業(yè)資訊，但微泵的可靠性和穩(wěn)定性對(duì)系統(tǒng)的影響很大，同時(shí)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜增加了運(yùn)行成本。

2.1.3 熱電制冷結(jié)構(gòu)

熱電制冷器是一種半導(dǎo)體器件，其PN結(jié)由兩種不同的傳導(dǎo)材料構(gòu)成，一種攜帶正電荷，另一種攜帶負(fù)電荷，當(dāng)電流通過結(jié)點(diǎn)時(shí)，兩種電荷離開結(jié)區(qū)，同時(shí)帶有熱量，以達(dá)到制冷的目的，其工作原理如下圖所示。

與其他大功率LED散熱結(jié)構(gòu)相比， led商業(yè)照明，熱電制冷結(jié)構(gòu)具有節(jié)能，小體積，易于與LED模塊集成等優(yōu)點(diǎn)。目前國內(nèi)外已有部分學(xué)者對(duì)大功率LED模塊上應(yīng)用熱電制冷結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)研究。田大壘等人將熱電制冷結(jié)構(gòu)應(yīng)用在LED的散熱系統(tǒng)上，并通過實(shí)驗(yàn)測試研究LED以及熱電制冷器在不同電流下的冷卻狀況，并測出LED結(jié)溫，結(jié)果表明，采用熱電制冷結(jié)構(gòu)的大功率LED陳列模塊能夠大大降低器件的工作溫度，裝修照明，與不采用該結(jié)構(gòu)相比，基板溫度能夠降低36％以上，該數(shù)據(jù)表明將熱電制冷結(jié)構(gòu)用在大功率LE D模塊上是一種很好的散熱方式。

鄭同場等人對(duì)采用熱電制冷結(jié)構(gòu)的50W大功率LED模組系統(tǒng)進(jìn)行了散熱模擬，LED模組系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示，結(jié)果表明在某種程度上采用熱電制冷的LED模組系統(tǒng)能使LED結(jié)溫降低并且使用多級(jí)半導(dǎo)體制冷對(duì)大功率LED模組進(jìn)行散熱有更廣闊的研究價(jià)值。

Chun Kai Liu等人對(duì)大功率LED上采用熱電制冷結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了研究，結(jié)果表明采用熱電制冷結(jié)構(gòu)可以有效地將整個(gè)LED系統(tǒng)的熱阻降低到0，此外該研究組的成員還對(duì)采用熱電制冷的1W LED系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)研究，研究結(jié)果表明LED系統(tǒng)中含有熱電制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的光效是沒有熱電制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的1.3倍，可見熱電制冷系統(tǒng)對(duì)LED的熱阻及光效都有重要的影響。

2.2 封裝材料

通過上式的分析可以看出界面熱阻對(duì)大功率LED總熱阻的影響很大，減少LED總熱阻的要點(diǎn)在于如何減少界面熱阻，因而選擇合適的熱界面材料與基板材料十分重要。

2.2.1 熱界面材料

目前，LED球泡燈，LED封裝常用的熱界面材料有導(dǎo)熱膠、導(dǎo)電銀膠等。

(a)導(dǎo)熱膠