摘　要:本文通過LED封裝結(jié)構(gòu)的散熱方案以及LED封裝材料的散熱方法等細節(jié),著重對LED的散熱結(jié)構(gòu)進行探討,LED散熱研究的關(guān)鍵要從散熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

　　關(guān)鍵詞: LED照明;散熱;芯片

　　Abstract: This article through the LED package structure of the cooling scheme and LED packaging material heat method etc., focusing on the LED radiating structure were discussed, LED radiating research key from the radiating structure optimization design.

　　Key words: LED lighting; heat radiation; chip

　　中圖分類號：J814.4 文獻標識碼：A 文章編號：

　　引　言

　　一般說來，依照從散熱器帶走熱量的方式，可以將散熱器分為主動式散熱和被動式散熱。所謂的被動式散熱，是指通過散熱片將熱源LED光源熱量自然散發(fā)到空氣中，其散熱的效果與散熱片大小成正比，但因為是自然散發(fā)熱量，效果當然大打折扣，常常用在那些對空間沒有要求的設(shè)備中，或者用于為發(fā)熱量不大的部件散熱，如部分普及型主板在北橋上也采取被動式散熱，絕大多數(shù)采取主動式散熱式，主動式散熱就是通過風(fēng)扇等散熱設(shè)備強迫性地將散熱片發(fā)出的熱量帶走，其特點是散熱效率高，而且設(shè)備體積小。為了解決LED散熱問題,國內(nèi)外的專家和學(xué)者主要從改進LED的封裝和散熱結(jié)構(gòu),選取合適的LED散熱封裝材料等方面來進行研究。

　　1　LED封裝結(jié)構(gòu)的散熱方案

　　1.1　硅基倒裝芯片

　　芯片倒裝技術(shù)比傳統(tǒng)的LED芯片封裝技術(shù)有更多的有效出光,但如果不在芯片發(fā)光層電極下方增加反射層來反射出浪費的光能,則會造成約8%的光損失,所以底板材料上必須增加反射層,經(jīng)過這些改善,可以提高大功率LED器件的光通量。因為大功率倒裝結(jié)構(gòu)LED的P電極要求電流擴展均勻,接觸電阻小,反射率高,熱穩(wěn)定性好,所以多選用高反射率金屬或透明電極和高反射金屬復(fù)合體系2種方案來實現(xiàn)倒裝焊。

　　倒裝焊芯片面臨的問題是:受硅片機械強度與導(dǎo)熱性能限制,硅片無法減少厚度,也無法進一步降低內(nèi)部熱沉的熱阻,制約了其傳熱性能的提高。另外,倒裝焊結(jié)構(gòu)在降低LED芯片熱阻、提高器件散熱性能等方面。

　　1.2　金屬線路板

　　金屬線路板結(jié)構(gòu)利用鋁等金屬具有極佳的熱傳導(dǎo)性質(zhì),將芯片封裝到覆有幾mm厚的銅電極的PCB板上,或者將芯片封裝在金屬夾芯的PCB板上,然后再封裝到散熱片上來解決LED因功率增大所帶來的散熱問題。

　　目前應(yīng)用于大功率LED作散熱的PCB有3種:普通雙面敷銅板(FR4)、鋁合金基敷銅板(MCPCB)、PCB用膠粘在鋁合金板上的柔性薄膜PCB。雖然采用該結(jié)構(gòu)可以獲得良好的散熱特性,并大大提高LED的輸入功率,但夾層中的PCB板是熱的不良導(dǎo)體,阻礙了熱量的傳導(dǎo),因此選擇合適的PCB夾層材料是研究的重點之一。

　　1.3　LED芯片

　　LED芯片有橫向和垂直2種基本結(jié)構(gòu)。橫向結(jié)構(gòu)的LED芯片是指芯片2個電極在外延層的同側(cè);相反,垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片的2個電極分布在外延層的兩側(cè)。橫向結(jié)構(gòu)LED芯片的電極在同一側(cè),電流在N和P類型限制層中橫向流動,不利于電流的擴散以及熱量的散發(fā)。與橫向結(jié)構(gòu)相比,垂直結(jié)構(gòu)的LED芯片具有抗靜電能力高,生產(chǎn)成本低,無需打金線等明顯優(yōu)勢。

　　1.4　金屬引線框架技術(shù)

　　引線框架通常都是采用合金制成,熱量通過引線框架傳導(dǎo)到安裝基板上。王明英等人采用異形銅條和高溫傳導(dǎo)型銅合金引線框架的方法,提高引線框架的厚度,使熱量在橫向上能有效充分地傳導(dǎo)。

　　2　LED封裝材料的散熱方法

　　2.1　散熱基板材料

　　現(xiàn)階段LED系統(tǒng)的散熱瓶頸,多數(shù)發(fā)生在將熱量從LED芯片傳導(dǎo)至其基板再到系統(tǒng)電路板的過程中,因此散熱基板材料的選擇至關(guān)重要。LED的散熱基板分為2類:一種是系統(tǒng)電路板,主要包括硬式印刷電路板、軟式印刷電路板、高導(dǎo)熱系數(shù)鋁基板和DCB板;另外一種是LED晶粒基板,主要包括陶瓷基板和薄膜陶瓷基板。

　　現(xiàn)在的陶瓷基板，LED不斷往更高功率的需求發(fā)展，現(xiàn)階段陶瓷基板之金屬線路多以厚膜技術(shù)成型，然而厚膜印刷的對位精準度使得其無法跟上LED封裝技術(shù)之進步，其主要因素為在更高功率LED元件的散熱設(shè)計中，使用了共晶以及覆晶兩種封裝技術(shù)，這些技術(shù)的導(dǎo)入不但可以使用高發(fā)光效率的LED芯片，更可以大幅降低其熱阻值并且讓接合度更加完善，讓整體運作的功率都相對的提昇。但是這兩種接合方式的應(yīng)用都需要擁有精確金屬線路設(shè)計的基礎(chǔ)，因此以曝光微影為對位方式的薄膜型陶瓷散熱基板就變成為精準線路設(shè)計主流。

　　2.2　芯片粘結(jié)材料

　　導(dǎo)熱膠的導(dǎo)熱效果一般,導(dǎo)熱型銀漿的導(dǎo)熱性能和粘貼強度都很好,但是銀漿在亮度提升的時候會發(fā)熱,并且含有有毒金屬,所以不宜采用。導(dǎo)電錫漿也含有鉛、六價鉻等重金屬,所以不是粘貼材料的最佳選擇。金錫合金焊料的熱導(dǎo)特性較好,導(dǎo)電性也比較好,具有很大的發(fā)展前景。

　　過去用來作為封裝材料的環(huán)氧樹脂，耐熱性比較差，可能會出現(xiàn)在LED芯片本身的壽命到達前，環(huán)氧樹脂就已經(jīng)出現(xiàn)變色的情況，因此，為了提高散熱性，必須讓更多的電流獲得釋放。除此之外，不僅因為熱現(xiàn)象會對環(huán)氧樹脂產(chǎn)生影響，甚至短波長也會對環(huán)氧樹脂造成一些問題，這是因為環(huán)氧樹脂相當容易被白光LED中的短波長光線破壞，即使低功率的白光LED就已經(jīng)會造成環(huán)氧樹脂的破壞，更何況高功率的白光LED所含的短波長的光線更多，惡化自然也加速，甚至有些產(chǎn)品在連續(xù)點亮后的使用壽命不到5,000小時。所以，與其不斷的克服因為舊有封裝材料-環(huán)氧樹脂所帶來的變色困擾，不如朝向開發(fā)新一代的封裝材料的選擇。目前在解決壽命這一方面的問題，許多LED封裝業(yè)者都朝向放棄環(huán)氧樹脂，而改用了硅樹脂和陶瓷等作為封裝的材料。根據(jù)統(tǒng)計，因為改變了封裝材料，事實上可以提高LED的壽命。就資料上來看，代替環(huán)氧樹脂的封裝材料-硅樹脂，就具有較高的耐熱性，根據(jù)試驗，即使是在攝氏150～180度的高溫，也不會變色的現(xiàn)象，看起來似乎是一個不錯的封裝材料。硅樹脂能夠分散藍色和近紫外光，與環(huán)氧樹脂相比，硅樹脂可以抑制材料因為電流和短波長光線所帶來的劣化現(xiàn)象，緩和光穿透率下降的速度。以目前的應(yīng)用來看，幾乎所有的高功率白光LED產(chǎn)品都已經(jīng)改用硅樹脂作為封裝的材料，例如，相對于波長 400～450nm的光，環(huán)氧樹脂約在個位的數(shù)百分比左右，但硅樹脂對400～450nm的光線吸收卻不到百分之一，這樣的落差，使得在抗短波長方面，硅樹脂有著較出色的表現(xiàn)

　　2.3　芯片常用襯底材料

　　藍寶石：導(dǎo)熱性能不是很好(在100℃約為25W/(m·K))。因此在使用LED器件時，會傳導(dǎo)出大量的熱量;特別是對面積較大的大功率器件，導(dǎo)熱性能是一個非常重要的考慮因素。為了克服以上困難，很多人試圖將GaN光電器件直接生長在硅襯底上，從而改善導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能。

　　硅襯底：目前有部分LED芯片采用硅襯底。硅襯底的芯片電極可采用兩種接觸方式，分別是L接觸(Laterial-cONtact ,水平接觸)和 V接觸(Vertical-contact，垂直接觸)，以下簡稱為L型電極和V型電極。通過這兩種接觸方式，LED芯片內(nèi)部的電流可以是橫向流動的，也可以是縱向流動的。由于電流可以縱向流動，因此增大了LED的發(fā)光面積，從而提高了LED的出光效率。因為硅是熱的良導(dǎo)體，所以器件的導(dǎo)熱性能可以明顯改善，從而延長了器件的壽命。

　　碳化硅襯底：導(dǎo)熱性能(碳化硅的導(dǎo)熱系數(shù)為490W/(m·K))要比藍寶石襯底高出10倍以上。藍寶石本身是熱的不良導(dǎo)體，并且在制作器件時底部需要使用銀膠固晶，這種銀膠的傳熱性能也很差。使用碳化硅襯底的芯片電極為L型，兩個電極分布在器件的表面和底部，所產(chǎn)生的熱量可以通過電極直接導(dǎo)出。

　　3、結(jié)術(shù)語

　　以上我們已將LED散熱基板在兩種不同工藝上做出差異分析，散熱效能儼然成為最重要的議題。影響LED散熱的主要因素包含了LED芯片、芯片載板、芯片封裝及模組的材質(zhì)與設(shè)計，而LED及其封裝的材料所累積的熱能多半都是以傳導(dǎo)方式散出，所以LED芯片基板及LED芯片封裝的設(shè)計及材質(zhì)就成為了主要的關(guān)鍵。