大功率LED的散热封装

　第 8卷第 1期 2009年 2月 　 　　　　 江 南 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) Journa l of J iangnan Un iversity( Na tura l Sc ience Ed it ion) 　 　 　 Vol. 8　No. 1 Feb. 　2009 　　收稿日期 : 2008 - 11 - 08; 　修订日期 : 2008 - 12 - 28。 作者简介 :王耀明 (1985 - ) ,男 ,浙江金华人 ,物理电子学专业硕士研究生。3 通讯作者 :王德苗 (1947 - ) ,男 ,浙江诸暨人 ,教授 ,博士生导师。主要从事真空器件类技术等研究。 Email: iseewdm@ yahoo. cn 大功率 L ED的散热封装 王耀明 , 　王德苗 3 ,苏 　达 (浙江大学 信息科学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院 ,浙江 杭州 310027) 摘 　要 :如何提高大功率 LED的散热性能 ,是 LED器件封装及其应用的关键技术。提出了一种 LED薄膜集成封装结构 ,利用磁控溅射技术制备了实验样品 ,依据动态电学法 ,采用金相显微镜和 扫描电镜对样品的热阻和膜层性能进行了测试 ,通过对传热模型的仿真以及实验 ,分析了样品的 散热性能。与现有的 PCB封装结构相比 ,薄膜封装结构的散热性能远优于 PCB结构 ,而且薄膜封装 结构的工艺简单、成本低廉 ,适合于大规模的工业化生产 ,具有良好的应用前景。 关键词 : 大功率 LED;薄膜封装 ;热分析 ; ANSYS软件 中图分类号 : TN 312. 8 文献标识码 : A 文章编号 : 1671 - 7147 (2009) 01 - 0058 - 04 Therma l D esign of H igh2Power L ED WANG Yao2m ing, 　WANG D e2m iao3 , SU Da (College of Information Science and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China) Abstract: The issue of heat2re lease has become the biggest obstac le to the industria liza tion of h igh2power LED. To so lve these p roblem s, the p roposes a new thin2film packaging p roduced by magnetron sputtering fo r h igh2power LED. The thermal perfo rm ance is demonstra ted through simula tion of the heat2transfer mode l and experimen ts. Compared w ith the curren t packaging, the resu lts show that bo th the in ternal and to ta l the rmal resistances are much smaller. Because of the simp le p rocess and low co st, the structure is mo re app licab le than o ther methods. Key words: high2power LED, th in2film packaging, heat managemen t, AN SYS 　　L ight Em itting D iode (LED ) ,是一种注入电致 发光器件 ,以其耗电量少、光色纯、全固态、质量轻、 体积小、环保等一系列的优点 ,成为 21世纪最具发 展前景的高技术产品之一。美国、欧盟、日本等国家 纷纷出台计划 ,投入巨资加速其发展 ,以占领能源 战略制高点。在中国 ,照明电能消耗约占全部电能 消耗的 12 % ～15 % ,作为能源消耗的大户 ,中国必 须尽快寻找可以替代传统光源的新一代节能环保 光源。 大功率 LED封装由于结构和工艺复杂 ,一直是 近年来该领域的研究热点。在当前的技术水平下 , 大功率 LED只能将约 10 % ～ 15 %的输入功率转 化为光能 ,而将其余 85 % ～90 %转化为热能 [ 122 ]。 如果 LED封装散热不良 ,会使芯片温度升高 ,引起 应力分布不均、芯片发光效率降低、荧光粉转换效 率下降等一系列后果 ,进而缩短 LED的正常工作寿 命 [ 3 ]。近年来国际学术界普遍认为 ,提高封装散热 能力是现阶段高功率 LED亟待解决的关键技术之 一 [ 1, 4 ]。现有的 LED封装结构大都存在着热沉多、总 热阻大这样一些共性的问题 ,极大制约了其传热性 能与散热效率的进一步提高。 针对上述问题 ,文中提出了一种 LED封装模块 , 采用了磁控溅射工艺 ,将必不可少的接口电极热沉、 绝缘层以薄膜形式直接制作在金属散热器上 ,通过减 少内部沉和热阻达到降低总热阻的目的。 1　实验设备及方法 1. 1　L ED薄膜封装结构与制备 实验中选用 Lum ileds 公司出品 , 型号为 LXHL2BW 01的白光大功率 LED。芯片功率为 1. 2 W ,芯片面积为 1 mm ×1 mm ,发光效率为 15 %。作 者 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的 LED薄膜型封装结构见图 1。 图 1　L ED薄膜封装结构 F ig. 1　Structure of th in2f ilm packag ing for L ED s 　　在图 1的金属散热器上依次制备绝缘膜与电极 膜 ,将 LED芯片倒装焊接在绝缘膜上。在这种 LED薄 膜封装模块中 , LED产生的热量通过电极层、绝缘 层、铝基板翅式散热器组成的散热通道释放 [ 5 ]。 电极层和绝缘层薄膜在多靶磁控溅射台上采 用常温溅射制备 , 靶材采用 Cr、Cu、Ti、A g以及 N i2Cu合金等 ,其中所用 N i2Cu合金层靶材按多种配 比采用真空熔炼制得。实验本底压强为 5 ×10- 3 Pa, 氩气分压为 5 ×10- 1 Pa,溅射功率密度须控制在 20 W·cm - 2左右 ,靶基距为 9 cm。 1. 2　测试方法 通过 金 相 显 微 镜 和 扫 描 电 镜 (型 号 为 H ITACH IS2570) 观察电极层 /绝缘层界面形貌 ,同 时在 SEM 上进行 EDX能谱和电子探针线成分分 析 ;采用α台阶仪测量薄膜厚度。薄膜封装热阻采用 动态电学法测量 ,该方法利用 PN结正向压降与结 温成线性关系的特性 ,测量电路原理见图 2[ 6 ]。 2　薄膜封装的传热模型 薄膜封装的传热模型见式 (1) : Rθ = TJ - TA PT (1) 大功率 LED散热封装结构的热阻 Rθ 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 征了整体封 装的散热能力。式中 : TJ 为芯片 PN结的结温 ; TA 为 环境温度 ; PJ 为芯片热功率 ; PT 为耗散功率。在相 同的环境温度和耗散功率下 , 热阻越小 , 芯片的结 温升温越小 ,器件散热性能也就越好 [ 7 ]。为研究该封 装模块的散热性能 ,需要建立器件传热模型 ,以便分 析大功率 LED器件在工作时的温度场分布。 图 2　动态电学测量原理 F ig. 2　 Schema tic c ircu it d iagram of dynam ic electr ica l m ethod 假设芯片为均匀热源 ,封装模块所处的温度场 为稳态温度场 , 各层的材料均为各向同性材料 , 且 各层材料之间为理想接触 ,即交界面上的接触热阻 为零。在直角坐标系下 , 具有内热和瞬态温度场的 芯片三维传热的微分方程式为 [ 8 ] 　　　　δTδτ = λ pc 92 T9x2 + 92 T9y2 + 92 T9z2 + θλ (2) 式中 : T表示芯片的瞬态温度 ;τ表示时间 ; p表示密 度 ; c表示比热容 ;λ表示导热率 ;θ表示单位体积内 热源的生成热。 变分原理的等价定理指出 ,求解原始微分方程 等价于求下式定义的泛函 Ie ( T) 的最小值。即 δIe ( Ti ) δTi = ∫∫ Δ ∫ R ax 92 T9x2 + ay 92 T9y2 + az 92 T9z2 + 　　　 δTδτ - δθ δτ dxdydz + ∫Δ ∫C ( λ pc ) δTδn dS = 0 (3) 式中 :ΔR 表示单元所包含的子域 ;ΔC 表示表面 C 上的面积 ,只有靠近边界 C 的单元才会出现这一 项。当相应边界条件和初始条件给定时 ,可以构成 1 个联立方程系统 ,通过求解这个系统可得到此导热 微分方程式的惟一数值解 ,即温度场分布。 3　仿真与实验结果 3. 1　仿真结果 ANSYS软件是集结构、热、流体、电磁场、声场 和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件 , 涵盖了机械、航空航天、能源、交通运输、土木建筑、 水利、电子、生物、医学和教学等诸多领域。文中采 用 AN SYS软件对 LED封装的温度场进行仿真 ,以 分析其散热性能。 3. 1. 1　LED薄膜封装结构的仿真 　当环境温度为 最高温度 40 ℃时 , LED薄膜封装结构的温度场分 95　第 1期 王耀明等 :大功率 LED的散热封装 布 ,见图 3 ( a) 和图 3 ( b)。由图可以看出 ,对于薄膜 封装结构而言 ,最高温度为 76. 4 ℃,出现在芯片即 LED的有源区 ;最低温度为 73. 7 ℃,出现在铝基板 与环境的交界处。 图 3　薄膜封装结构的温度场分布 F ig. 3　 Tem pera ture d istr ibution for th in2f ilm packag ing 3. 1. 2　PCB封装结构仿真 　选用相同的 LED芯片 和环境温度 ,假定芯片附着在半径为 15 mm的 PCB 上进行散热。采用 ANSYS进行仿真 ,得到 LED芯片 的 PCB封装结构的温度场分布 , 见图 4 ( a) 和图 4 ( b)。由图可以看出 ,对于 PCB封装结构而言 ,最高 温度为 111 ℃,出现在芯片即 LED的有源区 ,温度 最低温度为 77. 8 ℃,出现在 PCB板的边缘区域。 图 4　PCB封装结构的温度场分布 F ig. 4　Tem pera ture d istr ibution for PCB packag ing 3. 2　实验结果 3. 2. 1　膜层结合性能 　从薄膜表面形貌图 5可 见 ,其组织为明显的柱状晶 , 而且出现了二次柱状 晶。由此说明其连续性好 ,表面缺陷较少 , 无明显的 凹坑及显微裂纹 ,膜层均匀致密。 图 5　电极层表面形貌 F ig. 5　SEM image of electrode 3. 2. 2　热阻测试 　实验采用动态电学测试法 ,在 自然空气对流的条件下 ,测得薄膜散热封装结构中 芯片内部热阻 R in为 0. 8 K/W ,从芯片到金属散热器 的热阻 RθJ - S为 1. 2 K/W ,总热阻 Rθ为 49. 3 K/W。相 应的 PCB板封装结构中 ,芯片内部热阻 R in 为 1. 34 K/W ,从芯片到金属散热器的热阻 RθJ - S 为 8. 49 K/W ,总热阻 Rθ为 66. 12 K/W。 4　实验结果分析与性能比较 4. 1　热阻 在散热模型仿真中 ,薄膜封装结构的热阻为 Rθ = (76. 4 - 40) (1. 2 ×85 % ) = 36 K/W 而 PCB封装结构的热阻为 Rθ = (111 - 40) (1. 2 ×85% ) = 70 K/W 实验中测得 :薄膜散热封装结构中 ,总热阻 Rθ 为 49. 3 K/W ,而在 PCB板封装结构中 ,总热阻 Rθ为 66. 12 K/W。由热阻定义可得 TJ = TA + RθPT (4) 即在相同的 TJ 和 PT 的条件下 , LED封装结构的散 热性能越好 , Rθ则越小。不难看出 ,薄膜封装结构的 热阻远远小于 PCB封装结构。由此判定 ,薄膜封装 结构的散热性能也远远优于 PCB封装结构。 4. 2　最高结温 LED通常工作在室温环境中。在上述仿真过程 中 ,文中选用了最高环境温度为 40 ℃,由此得到 PN 06 　　　江 南 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) 　　　　　　　　　　　第 8卷 　 结的结温 TJ 是芯片工作时的最高温度。由图 3 ( a) 和图 3 ( b) 可以看出 , LED若采用薄膜封装结构 ,芯 片正常工作时的最高温度仅为 76. 4 ℃,远远低于 LED芯片的安全工作温度 110 ℃和荧光粉的安全 工作温度 90 ℃。因此 ,采用这种封装结构可以满足 大功率 LED封装的散热要求 ,使器件可以长时间、 稳定可靠地工作。 对于 PCB封装结构而言 ,并且由图 4 ( a) 和图 4 ( b) 可知 , 即使空气接触面上加的对流系数为 10 W / (m·K) ,该值为空气自然对流模式所能达到 的最大值。LED芯片温度 111 ℃已经超过半导体芯 片所能承受的最高工作温度 110 ℃,这样 LED芯片 就有可能不出光甚至失效。因此 ,必须采取如增大 PCB尺寸、增加外部散热片或者采用强制对流模式 等措施来提高散热性能。因此 ,即使 LED器件工作 在 40 ℃的环境温度下 ,薄膜封装结构也能满足大 功率 LED封装的散热要求。 5　结 　语 针对目前主流散热封装技术所存在的问题 ,提出 了一种采用磁控溅射技术制备的大功率 LED的薄膜 封装结构。通过 ANSYS仿真和实验对薄膜封装结构 和 PCB封装结构在散热性能上进行分析与比较 ,显 示出该薄膜结构相对 PCB封装结构而言 ,有以下几 个优点 : 1) 采用磁控溅射技术制备的薄膜封装结构 ,膜 层致密 ,机械咬合性能好 ,工艺简单 ; 2) 薄膜封装结构散热性能远优于 PCB结构 ; 3) 在环境温度为 40 ℃高温时 ,薄膜封装结构 仍然可以保证 LED器件工作在低于 90 ℃的安全温 度下 ,适用于多芯片阵列式的白光照明系统。 文中提出的 LED薄膜封装结构设计合理、性能 可靠 , 成为未来照明的最佳选择之一 , 给以后的 LED封装形式提供了一种借鉴与参考。 参考文献 (References) : [ 1 ] L IN Yuan2chang, Nguyen Tran, ZHOU Yan, et al. 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